淺談特氣的安全（quán）運行與管理

作者：李建輝 張寧 李爽 許浩賓（bīn） 

來源：《中國（guó）新技術（shù）新產品》2017年第06期    

隨著國內半（bàn）導體及光伏行業的快速發展，對於高純氣體尤其（qí）是高純特種氣體的需求量及氣體質量要求（qiú）越來越高。而特種氣體大都具有有毒、易燃易爆、高腐蝕性、高（gāo）氧化性等性質，如H2Se、SIH4、CL2、NF3等。因此如何安全、穩定、可靠地貯存和輸送特種氣體越來越受到企（qǐ）業重視。 

一、特（tè）氣在運行管理中的幾種分類方法 

特種氣體是指那（nà）些在特定領域中應用的，對（duì）氣體有特（tè）殊要求的純氣、高（gāo）純氣或由高純單質氣體配製的二元或多元混合（hé）氣。特種氣（qì）體（tǐ）的性（xìng）質是一切安全運行與管理的基礎。在儲存、操作、處置氣體之前必（bì）須了解該特氣（qì）的MSDS，即材料安全數據表。依（yī）據MSDS特氣可以有多種分類（lèi）方式。為了便於運（yùn）行管理特（tè）氣，介紹以下幾種分類方法。         

1.按特氣在壓力（lì）容器中（zhōng）的狀態分類 

特氣在運輸（shū）、儲（chǔ）存、輸（shū）送過程中都充裝在壓力容器中。氣體在壓力容器中（zhōng）將（jiāng）填（tián）充（chōng）到所（suǒ）有角落，且對（duì）容器的器（qì）壁壓力是均衡的。 在一般填充壓（yā）力和溫度下始（shǐ）終保持氣體形式存在的稱之為永久性氣體，而發生液化現象的氣體，稱之為（wéi）液化氣。液化氣又分為兩種類型，高壓（yā）液化氣如：HCL、N2O；低（dī）壓液（yè）化氣如：NH3、CL2、PH3。由於在使用永（yǒng）久性氣體時壓力容器內的壓力將逐漸降低，而在使用液化氣時，壓力容器內隻要有液體存在則壓（yā）力不會發生變（biàn）化，因此在氣（qì）體（tǐ）運行管理中，監控永久性氣體殘餘量的方法為壓力監控，而監控液化氣的殘餘量需加裝電子（zǐ）稱（chēng），采（cǎi）用重量監控的方法。         

2.按特氣比（bǐ）重分類 

比重也稱相對密度（dù），氣體（tǐ）的比重（chóng）是指（zhǐ）該氣體（tǐ）的密度與標準狀況下空氣密（mì）度的比值（zhí）。在（zài）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（de）分子量為（wéi）28.8，以（yǐ）空氣分子量為分界點，工業中常見的比空氣輕的氣體有：H2、He、NH3、CH4等等；比空氣重的氣（qì）體有：AsH3、PH3、SIH4、CF4等等（děng）。這兩類氣體的運行管理方式是（shì）不同的，比如氣櫃內比空氣輕（qīng）的氣（qì）體的（de）抽風位置和氣體采樣點在鋼瓶上方（fāng），而比空氣重的氣體的抽風位置和氣體采樣點在鋼瓶下方。需注意的是運行管理中的氣體一般都在非標準狀況下，因此（cǐ）與空氣分子量接近的氣體隨著溫度的不同（tóng）會有例外，如常溫或高（gāo）溫（wēn）N2會比空氣輕。而冷的（de）N2會比空氣重（chóng）。        

計算混合氣的（de）分子量，首先確定混合氣的氣體組（zǔ）成及各組成（chéng）氣體的分子（zǐ）量（liàng）。比如計算1%PH3/He的分子量（liàng），PH3分子（zǐ）量為34，He分子量為4，計算公式如（rú）下：34×0.01+4×0.99=4.3         

3.按特氣的化學性質分類 

依據其化學性（xìng）質，特氣可分為（wéi）惰性氣體、可燃性氣體、自燃（rán）性氣體（tǐ）、氧化性氣體及腐（fǔ）蝕性氣體幾種。 工業上常用的惰性（xìng）氣（qì）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（shí）性氣體有HCl、HBr、BCl3、BF3、SiCl4、POCl3、PF3、PF5等。值（zhí）得注意的是，很多（duō）特氣都同時兼具以上兩種（zhǒng）性質，如SiH2Cl2、SiHCl3同時具有可燃（rán）性和腐蝕性。再如Cl2、F2同時具有（yǒu）腐蝕性和氧化性（xìng）。 

一般半導體、光伏等行業在其主體廠房一層都建（jiàn）有（yǒu）專門的特氣房，並根據所用氣體的種類和性質劃分不（bú）同的氣體間。如果廠房所用（yòng）特氣為高（gāo）毒、易燃易爆且（qiě）存儲量達到一定值時，則需在離廠房安全距離以外的區（qū）域建（jiàn）立（lì）氣站為產線供氣。

氣站內根據（jù）特氣的分類劃分不（bú）同氣體間，如惰性（xìng）氣體間、可燃性氣體間、自燃性氣體間、腐蝕性（xìng）氣體間。各氣體間選擇不（bú）同的特氣供應設備、特氣監測設備及防護設施。如惰性氣體間（jiān）需安裝氧氣偵測（cè）器，實時監控（kòng）房間（jiān）內氧氣濃度，若低於安（ān）全限（xiàn）製（zhì）能（néng）及時報警。由於可燃（rán）及自燃性（xìng）氣體一旦（dàn）發生泄（xiè）漏，則（zé）存在爆炸的風險，因此可燃及自燃性（xìng）氣體間在設計上需考慮防（fáng）爆、消防（fáng）滅火設施等因素，同時其供應設（shè）備內也應配製火焰探測器或者溫度探頭。 

特（tè）氣根據其性質進行分區管理，不但便於特氣（qì）運行人員日常操作，發生異常情況能及時處理，而且一旦發生事故則可降（jiàng）低事故風險，減小疊加傷（shāng）害。         

二、特氣輸送係統簡介 

由於特氣的性質及用量不同（tóng），特氣係統的輸送方式有多種，但絕大部分特氣（qì）輸送係統（tǒng）都由以下5個部分組成。 

1.供氣設備（BSGS、GC、GR）        

①BSGS（大宗特（tè）氣（qì）輸送（sòng）係統）

此（cǐ）係（xì）統與大宗特氣氣源連接（jiē），通過全自動控製為工藝設（shè）備精確高效的輸送（sòng）和（hé）供應（yīng）特種氣體。全（quán）自動大宗特氣輸送櫃主要（yào）有3部（bù）分：內部的氣盤、輸送櫃櫃殼及櫃體上（shàng）方的可編（biān）程控製器。氣盤是輸送櫃內部的主體結構，主要由麵板、氣動閥、調壓閥、壓力傳感器及真空發生器（qì）等構成。其外殼主要由冷軋鋼（gāng）板及安全玻璃構成，具有防爆防漏的（de）功能。櫃體（tǐ）上部為可編程控製箱。 

其設備原理：將兩瓶工藝上需使用的特種（zhǒng）氣體的Y-鋼瓶（以下簡稱A、B氣（qì）瓶）放置於氣體房中，氣瓶與輸送櫃連（lián）接，通過控製箱控製氣（qì）動閥門的開啟及關閉來達到（dào）送氣的目的。另外將（jiāng）一瓶高純氮氣鋼瓶（píng）（以下簡稱（chēng）C氣瓶）置放（fàng）於輸送櫃中，用於吹掃盤麵。將A氣瓶的閥門打開後，點擊控製（zhì）箱的觸摸屏通知控製箱氣瓶已開，控製箱的電磁閥即會接收到（dào）信號（hào）輸送壓（yā）縮空氣等（děng）氣動氣源來開（kāi）啟氣盤的氣動閥（fá），氣動閥（fá）一經開啟，氣瓶中的特氣即會經過調壓（yā）閥、過濾器等處理後被（bèi）送至後段設備。當A氣瓶中的氣量達到最小設（shè）定量時，磅秤或壓力傳感器會測量並發送信號，通知控製箱關閉電磁閥，電（diàn）磁閥停止輸（shū）送氣動氣源（yuán），則氣動閥關閉，A氣瓶中的氣體輸送停止。同時控製箱發送信號開啟控製B氣瓶的電磁閥，則與前述控製A氣瓶的電磁閥被開（kāi）啟一樣，最終實現B氣（qì）瓶的（de）氣體被輸送至後段。如此實現氣櫃自（zì）動切（qiē）換A/B氣瓶（píng）並（bìng）自動供氣的核（hé）心（xīn）功能。操作人員可在撤換A或B氣（qì）瓶的時候開啟C氣瓶中的吹掃氮氣對設備管（guǎn）路進行吹掃，保證管路的純淨度。         

②GC（氣櫃） 

GC的工作原（yuán）理與BSGS相同，但GC的密封性更好，且鋼瓶是放在氣櫃內的。GC有更強的防爆功能。但GC的氣體流量沒有BSGS大，其使用的閥門（mén）管道等配件尺寸都小於BSGS。  

③GR（特氣架） 

GR主要用於惰性氣體的輸送，GR內主要部件和GC大體一致，減（jiǎn）少了櫃體和一些電子傳感器件，同時沒有自動（dòng）吹掃（sǎo）功能，鋼瓶交換過程主要由人手動操作（zuò）完成。         

2.氣體（tǐ）分配設備（VMB、VMP） 

當多（duō）台工藝設備均使用某一種特種氣體時，行業內使用VMB（閥門分配（pèi）箱）或者VMP（閥門分配盤）將集中供（gòng）氣氣源通過多條支路上的閥門（mén）等裝（zhuāng）置分流到（dào）各（gè）個工藝設備供其使用特氣。 

VMB與VMP的工作原理相同，隻是VMB多一個外殼，增加其密封性（xìng），且裝有（yǒu）排風設施保持（chí）櫃體（tǐ）內負壓。VMP一般輸送惰性氣（qì）體（tǐ），VMB則輸（shū）送有毒有害、易燃易爆的氣體。      

3.尾（wěi）氣處（chù）理設（shè）備 

特（tè）氣供氣設備在進行鋼瓶交換時都（dōu）要進行管道吹掃操作，如所供特（tè）氣為有毒、腐蝕性及易燃易爆的（de）氣體時，則吹掃排出的氣體不能直接（jiē）排放，需要（yào）經過尾（wěi）氣（qì）處理裝置（zhì）處（chù）理（lǐ）符合環保標準後才（cái）能排放。有毒、腐（fǔ）蝕性及易燃易爆的氣體在經過工藝設備使用（yòng）後也需要做相應地處理，才能安全排放。 

4.特氣監控及偵測係統（GMS、GDS） 

GMS是對氣體設備運行狀態的實時監控和記錄，例如輸送壓力如何，設備有無異常、警報等。同時GMS具有多種曆史查詢功能，可反饋記錄時間內任一時段（duàn）的壓力曲線、報警記錄等。 

GDS主要（yào）由氣（qì）體（tǐ）探測器、報警控製器（qì）和裝有專門軟件的計算機組成。報警控製器通過PLC聯動控製特氣設備氣動（dòng）閥的電磁（cí）閥，並發出聲光報警。某些GDS的報警控製器還（hái）聯動相（xiàng）應的風（fēng）機，一旦特氣泄漏除了自（zì）動關閉特（tè）氣設備供氣閥（fá）門外，還（hái）能啟動該房間的強製排風。特氣中的惰性（xìng）氣體無需對應的氣體偵測器進行監控，隻檢測所在（zài）環境中的（de）氧（yǎng）氣濃度。而對於（yú）工藝設備而言，當使用多種有（yǒu）毒（dú）、易燃易爆或腐蝕性的特氣（qì）時，需配備多種對應的氣體偵測器。         

GMS及GDS係統一般設置一級報（bào）警和（hé）二級報警兩個（gè）級別，對應黃色和紅色聲光警報。GMS係統中警報的設定值一般是根據工藝（yì）要求的（de）特氣輸送（sòng）壓力（lì）來設定的，而GDS的警報值是根據該特氣的TLV值來設定（dìng）的。一般（bān）GDS係統一級警報的設定值為該（gāi）特氣的TLV值（zhí）的一半，二級警報的設定值為該特氣的TLV值。

5.特氣輸送管道 

特氣的輸送管道是（shì）由具備專門氣體管路焊接資（zī）質的人員才能進行焊接的，管（guǎn）道焊接安裝完成後，需經過專業的技術人員進行5項測試，如（rú）保壓、氦檢、顆粒測試、水分測試、氧份測試。對於輸送腐蝕性氣體的管道（dào）還要進（jìn）行鈍化操作。 

特氣輸送管道的材質和接頭形式也有指定要求，目前特種氣體多使用SUS316L EP級不鏽鋼管，接頭形式為VCR方式。對於高毒特氣需使用雙套（tào）管的形式來（lái）輸送，內管與外套管之間進行抽真空操作（zuò），並（bìng）安裝負（fù）壓表實時監控其真（zhēn）空度。內管采用EP級不鏽鋼管（guǎn），外（wài）套管可采用BA級不鏽鋼（gāng）管。對於特氣中（zhōng）的惰性氣體也一般采（cǎi）用BA級不鏽鋼管。

三、特氣安（ān）全運行與管理中需注意的事項         

1.嚴格按（àn）照安全操作規程作業 

特氣係統在投（tóu）入使用前，安全的設計理念已貫穿其中，並且特氣係統的操作和維護都有相應的標準操作規程。特（tè）氣係統日常操（cāo）作如換瓶、維護等（děng）都要雙人（rén）作業，通過監督以確保人員每一步操作遵照安全步驟進行。雖（suī）然如此，人的因素還是引起特氣事故發生的最重要（yào）的因素。事故統計表（biǎo）明，幾乎所有的特氣責任（rèn）事故都是由於操作人員（yuán）沒有嚴格按照操作規程來（lái）作業（yè）。

特氣運行管理人（rén）員（yuán）必須取得危險化學（xué）品管理安全資質、壓力（lì）容器（qì）及壓力管道作業資質，另外相關人員還需要經過專（zhuān）業的特氣設備操作維（wéi）護（hù）運（yùn）行及異常處理的專業（yè）培訓後（hòu）方可上崗作業。值得注意的是，很多特氣事故往往都是具備一定經驗的熟練運行人員造成的。究其原因是運行人員度過了新手對特氣的恐懼階段，並感覺（jiào）掌（zhǎng）握了特氣的專業知識，因此在特氣（qì）作業過程中精神不集中，跳過安全操作規（guī）程的某些步驟，最終導致事（shì）故發生。

2.注意特氣係統狀態及儀表（biǎo）數值（zhí）變（biàn）化 

在特氣運行管理中非常重要的一個關鍵詞是“變化”。通常情況下，特氣係統在發生故（gù）障之前或者已經發生故障卻無報警產生時，從係統狀態或儀表數值變化的情（qíng）況可以發現異常。         

運行人員每天需（xū）對特氣係統進行數次點（diǎn）檢和巡檢。特氣係統狀態及儀（yí）表的數值是點檢及巡檢（jiǎn）的重要內容，如壓力、溫度、重量等，還（hái）包括所有氣體偵測器的檢測數值。在標準（zhǔn）的點檢表中，特氣儀表數（shù）值都有一個管理值。運行人員在點檢過程中察看各個數值是否在（zài）管理值範圍內，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）行人員需對特氣（qì）係統狀態（tài）變化有足夠的敏感度，某些數值（zhí）變化即使（shǐ）在管理值內，也要分析其（qí）變化的（de）合理性。另外，係統狀態及（jí）儀表數值雖然在管理值範（fàn）圍內但一（yī）直無變化，也是一種異常表現，需檢查（chá）傳（chuán）感器等電子元件是否已（yǐ）經失靈。         

3.特氣泄漏應急處（chù）理 

特氣運行現（xiàn）場都有針對每種（zhǒng）特氣泄漏（lòu）的緊急響（xiǎng）應程序。ERT成員也需要定期進行特氣泄漏的培訓和演練。 通常情況下，出現特氣報警後ERT按照緊急響應程序需要按以下幾個主要步驟（zhòu）進行動（dòng）作： 

（1）通知負責人或（huò）協調者，緊急疏散、人員搜救，同時在確保人員安全的情況下切斷氣源、開啟強製（zhì）排（pái）風。 

（2）確認泄漏及特氣溢（yì）出（chū）量，確定報（bào）警級別是否下降或維持。

（3）事故評估以及分區。

（4）根據氣體決定PPE及ERCV緊急（jí）反應安全容器。

（5）進入該區域處理泄漏和特氣溢出。

（6）現場清（qīng）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行動。在根據調查的泄漏信息（xī）進行分區時需注意風向和風速。泄（xiè）漏區域為熱區。根據泄漏特氣種類和泄漏量決定暖區。設備和ERT成員在冷（lěng）區（qū）。對於腐蝕性特氣泄漏（lòu）的情況，泄漏（lòu）區域需要淨化。 泄漏事故處理完畢後，還需要調查整個泄（xiè）漏細節及汙染程度（dù），同時（shí）分析特氣泄漏的根本原因，找（zhǎo）出對策及防（fáng）治措施。

結語（yǔ） 

隨著半導體集成（chéng）電路、光（guāng）伏等行業的國內外市場需求擴大，特（tè）氣的用量會進一步（bù）擴大，對特氣的品（pǐn）質要求也會越來越高。特（tè）氣輸送係統安全穩定運行是企（qǐ）業今後發展（zhǎn）不能忽視的環節。在特氣輸送係統進行設計時，要全麵考慮安全問題，盡量實現（xiàn）設備自動化，減少人工操作。在特（tè）氣輸送係統構建時（shí），做到嚴格按照安裝要求進行施工管（guǎn）理，特（tè）氣設（shè）備運行後，進行有效的（de）運行管理，特氣泄漏風險將能極大地降低。         

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