屏蔽泵在多晶硅生產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)

多晶硅是信息產業和太陽能光伏發電產業的關鍵原材料,全球多晶硅產業化生產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,前者占世界總產能的95%,是多晶硅生產的主流工藝[1-2]。多晶硅生產屬于典型的化工過程,生產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和導熱油、氟利昂等公用工程介質,大部分屬于易燃、易爆、有毒、有害介質,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,避免造成生產事故及環保問題[3-5]。

1 屏蔽泵的結構

屏蔽泵主要由泵體、葉輪、軸承、軸套、推力盤、定子、轉子和屏蔽套等組成(圖1)。普通離心泵的驅動是通過聯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而工作。而屏蔽泵是一種無密封泵,泵和驅動電機都被密封在一個被泵送介質充滿的壓力容器內,此壓力容器只有靜密封,由一個電線組來提供旋轉磁場并驅動轉子。這種結構取消了傳統離心泵具有的旋轉軸密封裝置,故能做到完全無泄漏[6]。

圖1 屏蔽泵結構簡圖

2 屏蔽泵常見故障及分析

在多晶硅生產中,屏蔽泵輸送的物料主要為氯硅烷、導熱油和氟利昂等。在國內某大型多晶硅企業的生產過程中,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、轉子屏蔽套之間的間隙和軸承,形成冷卻液的循環。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生的熱量都將由循環冷卻液帶走,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]。若冷卻液夾帶雜質或冷卻液流量不足,會出現軸承與軸套、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,熱量將在定子和轉子聚集積聚,局部表面達到介質汽化溫度后,形成腔內汽阻,該點冷卻液斷流,使得軸承與軸套或推力盤接觸干磨,加速故障的發生。

2.2 故障統計及分析

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

表1 屏蔽泵故障表現形式情況表

表2 屏蔽泵故障原因情況表

從表1和表2可以看出,屏蔽泵出現故障的表現形式主要集中在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黃區或紅區)32%。軸承、軸套和推力盤等磨損是屏蔽泵發生故障的最主要原因,占66.7%,加上定子轉子屏蔽套磨損及葉輪磨損時一并發生的軸承、軸套和推力盤等磨損,共占86.4%。誘發軸承、軸套和推力盤等磨損一般都是因為氣蝕導致潤滑液短缺,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,容易導致堵塞,而使軸承和軸套發生干磨而損壞；二是投產初期管道內鐵銹、焊渣等雜質易堵塞濾網,從而導致泵抽空、泵劇烈震蕩,送不上液體,使軸承和軸套發生干磨而損壞；三是運行一段時間后,系統穩定,物料相對比較干凈,泵運行也就較為穩定,故障率就相應降低。定子和轉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系統堵塞,從而導致泵氣蝕。加之多級泵葉輪多,一旦發生氣蝕震動極大,易造成軸承破碎,碎片進入定子和轉子屏蔽套間隙后,會導致屏蔽套磨損,從而使得介質侵蝕電機繞組使繞組損壞。

2.3 屏蔽泵故障與物料的關系

屏蔽泵發生故障跟物料的干凈程度關系非常大,SiCl4輸送泵和殘液輸送泵極易發生故障,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,容易導致泵內循環冷卻系統堵塞,而使軸承和軸套發生干磨損壞；二是四氯化硅物料內的顆粒物,易堵塞過濾器,發生氣蝕,使得泵劇烈震蕩,送不上液體,導致軸承和軸套損壞,也易導致葉輪損壞；三是過濾網損壞后臟物進入泵體,導致泵軸承損壞,進而屏蔽套損壞。

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

2.4 屏蔽泵故障與生產操作的關系

屏蔽泵故障與生產操作的關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,而巡檢時未及時發現壓力表變化,或DCS 上未及時發現流量降低,從而導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,這都需要現場巡檢人員細心、認真負責。現場巡檢人員一旦大意,未能及時發現初始癥狀,就會導致屏蔽泵故障發生。因為屏蔽泵一旦發生氣蝕,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,屏蔽泵故障與生產操作的關系也是非常大的,要求日常巡檢或操作要認真,應能夠及時發現泵運行中的不正常現象,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輸出清潔介質給轉子腔補液,一是可以避免主泵內含有顆粒的介質進入主泵的轉子腔損壞滑動軸承,二是即使過濾器堵塞,發生氣蝕,也只會對葉輪產生損壞,而不會導致軸承軸套缺液干磨而損壞。

對于易出現故障的屏蔽泵,可以增加空轉(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,防止事故發生。此外還可以在轉子腔內,增加溫度監測裝置。

3.2 屏蔽泵的布置

由于屏蔽泵發生故障大部分都是由氣蝕引起的,為減少屏蔽泵發生氣蝕,可以采取以下兩類手段:一是盡量選用氣蝕余量較低的泵,這是由泵結構決定的,如增加誘導輪,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,需要優化設備及管道布置。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高度；二是提高儲罐基礎高度(如提高整個罐區的基礎高度),如將提純塔的回流罐放置在建筑結構的二層,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量,并采用大曲率半徑的彎頭。

5)對于經常發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)對于經常發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置差壓檢測裝置,一旦過濾器出現堵塞,可以第一時間發現故障。

3.3 屏蔽泵的使用

屏蔽泵故障率與生產使用關系較大,合理的使用和維護能大大減少故障的發生。

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

2)屏蔽泵啟動穩定運行15 min 內不離場,新修泵運行初期每半小時檢查不少于1次,確保能夠及時發現泵運行中的不正常現象,并正確處理。

3)必須在允許的流量范圍內操作,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沒有排出,溫度逐漸升高,使得部分介質汽化,造成滑動軸承組件表面溫度急劇上升,部件磨損,最終導致破碎[12]。

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

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

4 結語

屏蔽泵在多晶硅生產中主要用于易燃、易爆、有毒、有害介質的輸送,具有完全無泄漏的結構特點,可避免物料輸送中發生跑、冒、滴、漏問題,是多晶硅生產中極為重要的設備。針對多晶硅生產過程中氯硅烷介質的特點,在屏蔽泵的設備選型、設計布置和生產使用等方面進行優化改進,才能保證其長期穩定運行,避免安全和環保事故的發生。