多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)閥門 選型分析

劉見華 趙雄 萬燁 趙宇 嚴(yán)大洲

(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 471000)

0 引言

閥門是化工管路系統(tǒng)的重要組成部分，用于對介質(zhì)的流量、流向和壓力進(jìn)行控制[1]，閥門費(fèi)用約占化工系統(tǒng)配管投資的40%～50%，因此，閥門的合理，正確選型對系統(tǒng)的投資、生產(chǎn)精準(zhǔn)控制有很大的影響。目前我國多晶硅產(chǎn)能超40 萬噸，位居世界首位，多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，生產(chǎn)過程需要用到大量、多種型號、規(guī)格和數(shù)量的閥門，本文結(jié)合生產(chǎn)實踐，從閥門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性兩方面，對多晶硅生產(chǎn)中常用閥門進(jìn)行選型分析。

1 閥門的分類

閥門包括閥座、閥蓋、閥體、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、密封件、啟閉件、緊固件等部分，按照作用可分為：

(1)截斷類：截斷或接通傳輸介質(zhì)，包括旋塞閥、球閥、閘閥、蝶閥等。

(2)調(diào)節(jié)類：用于調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量、壓力，包括調(diào)節(jié)閥、減壓閥等。

(3)止回類：用于防止介質(zhì)倒流、防止泵及驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)。

(4)安全類：防止系統(tǒng)壓力超過設(shè)定值，對設(shè)備或管路進(jìn)行保護(hù)，如防爆閥、安全閥等。

(5)分流類：用于介質(zhì)的分配、分離和混合，如疏水閥。

2 多晶硅工廠閥門選型

2.1 壓力等級

首先要確保閥門的壓力等級在工作溫度下的最大允許壓力大于工作壓力。同一壓力等級閥門的最大允許壓力與介質(zhì)的溫度有關(guān)，在一定的溫度范圍內(nèi)，閥門的最大允許壓力將隨溫度的升高而減小。因此，在選用閥門時，一定要查看閥門的壓力-溫度表，尤其高溫高壓條件下。另外，大部分閥門實際使用壓力都較低，PN16 的閥門和PN25 的閥門價格相差不大，考慮到閥門的價格以及通用性因素，多晶硅系統(tǒng)主工藝物料、氫氣、壓空和氮?dú)獾裙艿溃话惆凑誔N25 和PN40 壓力等級選用。

2.2 閥門材料

閥門材料包括閥蓋、閥體、啟閉件、密封面、螺栓、閥桿、螺母、墊片、填料和手輪等材料。多晶硅系統(tǒng)中，閥體材料一般選用碳鋼和不銹鋼，對于介質(zhì)為氯硅烷、氫氣或含其混合物的管道，在干法低溫、氫化高溫高壓和精餾產(chǎn)品等工序閥門選用不銹鋼閥門，其余情況下的閥門也可考慮使用碳鋼閥門[2]。對于介質(zhì)為壓空、氮?dú)狻?dǎo)熱油、循環(huán)水和高溫水的管道，選用碳鋼閥門。閥座密封面一般選用聚四氟乙烯、合金鋼、硬質(zhì)合金和橡膠。

2.3 球閥

球閥具有結(jié)構(gòu)簡單、阻力小、啟閉迅速和密封性好等優(yōu)點(diǎn)，在多晶硅系統(tǒng)中使用最多，主要用于氯硅烷、氫氣或含其混合物、氮?dú)狻嚎s空氣的截斷，占所有閥門的70%。

浮動球球閥一般用于中低壓場景，固定式球閥的轉(zhuǎn)矩小、閥座變形小，密封性能好、適用于高壓、大口徑場合。由于球閥啟閉力矩較大，當(dāng)DN≥125mm 時需選用蝸輪驅(qū)動球閥，當(dāng)使用溫度T≤150℃時密封面采用聚四氟乙烯，150℃＜T≤200℃時密封面采用改性聚四氟乙烯，＞200℃時密封面采用硬質(zhì)合金。

2.4 截止閥

截止閥用于多晶硅系統(tǒng)中導(dǎo)熱油、熱水和蒸汽等的切斷和調(diào)節(jié)，由于此類介質(zhì)的溫度較高，故一般選用波紋管密封的截止閥，其關(guān)鍵部件為金屬波紋管，上下端分別與連接板和閥桿組件自動滾焊焊接，使得在介質(zhì)和外界空氣之間形成金屬屏障，保證閥桿零泄漏。作為輔助密封，采用雙重密封設(shè)計，在波紋管上設(shè)置填料，在波紋管失效的情況下，也會避免閥桿填料的泄漏。

2.5 蝶閥

蝶閥密封性較差，但價格便宜，一般用于熱水、循環(huán)水和導(dǎo)熱油的啟閉和流量控制。當(dāng)使用溫度≤120℃時，蝶閥密封面一般采用橡膠，當(dāng)使用溫度＞120℃時密封面采用合金鋼。但是由于橡膠不耐磨、易損壞，蝶閥的密封面優(yōu)選合金鋼[3]。

對于輸送氯硅烷氣體或液體管道上的閥門，當(dāng)DN≥200，PN≤1.6MPa，T≤200℃時，由于球閥體積過大，可考慮使用三偏心雙向金屬密封蝶閥。對于輸送導(dǎo)熱油的管道上的閥門，當(dāng)DN≥200 時，可考慮使用三偏心雙向金屬密封蝶閥。

2.6 閘閥

閘閥由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，啟閉時間長，外形高度大、密封面易損傷等缺點(diǎn)，且小口徑(DN≤150)價格較貴，故使用較少。但其結(jié)構(gòu)長度較短，大口徑價格一般比球閥和截止閥便宜，在密封性要求不高的情況下，也可考慮使用。對于導(dǎo)熱油和蒸汽管道，當(dāng)管徑較大(DN≥200)時，可考慮使用閘閥(帶波紋管)，尤其是調(diào)節(jié)閥的前后切斷閥。

2.7 止回閥

在多晶硅系統(tǒng)中，垂直管道上的小口徑止回閥一般選用立式升降式止回閥，水平管道上一般選用直通式升降止回閥。對于大口徑應(yīng)用，一般選用旋啟式止回閥，可垂直安裝或水平安裝，主要用于熱能轉(zhuǎn)換站。對于水介質(zhì)，一般使用蝶式止回閥，主要用于供水車間和三廢處理站。對于活塞壓縮機(jī)出口管道上的止回閥，由于活塞壓縮機(jī)的氣流不穩(wěn)，存在脈動，造成閥瓣頻繁動作撞擊閥座，發(fā)出聲音，考慮選用活塞壓縮機(jī)專用的氣閥式止回閥。

2.8 疏水閥

自由浮球式疏水閥的排量大，排空氣性能好，不受工作溫度和壓力變化的影響，過冷度小，能連續(xù)排除凝結(jié)水，可以有效排飽和溫度凝結(jié)水，保證加熱裝備處于最佳工作效率，多晶硅系統(tǒng)中多選用此種類型的疏水閥，但是自由浮球式疏水閥室外安裝時要注意防凍。分為具有自動排氣功能和不具有自動排氣功能兩種，當(dāng)選用后者時，需選用附加熱靜力型排氣閥或設(shè)置手動放空閥。

2.9 安全閥

在多晶硅系統(tǒng)中當(dāng)用于排放氣體時，選用彈簧全啟封閉式安全閥，當(dāng)用于排放液體時，一般選用彈簧微啟封閉式安全閥。當(dāng)用于排放蒸汽時，優(yōu)選彈簧全啟不封閉式安全閥。當(dāng)用于排放高溫水時，一般選用彈簧微啟不封閉式安全閥。用于高溫(高于235℃)的彈簧式安全閥，必須考慮彈簧隔熱。一般在閥體與彈簧之間設(shè)置散熱片，降低閥蓋內(nèi)腔溫度，保護(hù)彈簧不受高溫影響。

2.10 閥門選用注意事項

不銹鋼閥門出廠前做潔凈脫脂處理。閘閥只用于切斷介質(zhì)，一般全開全關(guān)，不可調(diào)節(jié)流量；截止閥和蝶閥可用于切斷和調(diào)節(jié)流量，經(jīng)常調(diào)節(jié)流量的部位宜選用節(jié)流閥；球閥一般只用于切斷，不宜用于調(diào)節(jié)流量。閘閥、球閥和普通蝶閥的安裝是無方向要求。截止閥、自密封閘閥、偏心蝶閥、止回閥和疏水閥的安裝需按照閥體設(shè)定方向，閘閥、球閥、截止閥、蝶閥和旋啟式止回閥可水平或垂直安裝。安全閥都應(yīng)垂直安裝。直通式升降止回閥、調(diào)節(jié)閥、減壓閥要求水平安裝，立式升降式止回閥要求垂直安裝，且介質(zhì)自下向上流動。

3 結(jié)語

多晶硅生產(chǎn)中閥門使用多，投資占比大，結(jié)合使用條件、生產(chǎn)實踐和閥門特點(diǎn)，統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟(jì)型原則進(jìn)行閥門選型，實現(xiàn)操作的精準(zhǔn)控制、安全、經(jīng)濟(jì)。同時，為降低多晶硅的生產(chǎn)成本，新建多晶硅工廠向大型化、集約化發(fā)展，對控制的精準(zhǔn)性、自動化程度、安全性要求逐步提高，要求結(jié)合生產(chǎn)實踐，不同應(yīng)用場景優(yōu)選控制閥門，同時，積極引進(jìn)新型控制閥門，促進(jìn)系統(tǒng)精準(zhǔn)控制的提升。