李建輝++張寧++李爽++許浩賓

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

關鍵詞：特氣；運行；安全；管理

中圖分類號：TU714 文獻標識碼：A

隨著國內半導體及光伏行業(yè)的快速發(fā)展，對于高純氣體尤其是高純特種氣體的需求量及氣體質量要求越來越高。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，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越受到企業(yè)重視。

一、特氣在運行管理中的幾種分類方法

特種氣體是指那些在特定領域中應用的，對氣體有特殊要求的純氣、高純氣或由高純單質氣體配制的二元或多元混合氣。特種氣體的性質是一切安全運行與管理的基礎。在儲存、操作、處置氣體之前必須了解該特氣的MSDS，即材料安全數據表。依據MSDS特氣可以有多種分類方式。為了便于運行管理特氣，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

特氣在運輸、儲存、輸送過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，壓力容器內只要有液體存在則壓力不會發(fā)生變化，因此在氣體運行管理中，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

比重也稱相對密度，氣體的比重是指該氣體的密度與標準狀況下空氣密度的比值。在特氣運行管理中，氣體比重可以用該氣體分子量直觀體現?？諝獾姆肿恿繛?8.8，以空氣分子量為分界點，工業(yè)中常見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。這兩類氣體的運行管理方式是不同的，比如氣柜內比空氣輕的氣體的抽風位置和氣體采樣點在鋼瓶上方，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，因此與空氣分子量接近的氣體隨著溫度的不同會有例外，如常溫或高溫N2會比空氣輕。而冷的N2會比空氣重。

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

34×0.01+4×0.99=4.3

3.按特氣的化學性質分類

依據其化學性質，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，很多特氣都同時兼具以上兩種性質，如SiH2Cl2、SiHCl3同時具有可燃性和腐蝕性。再如Cl2、F2同時具有腐蝕性和氧化性。

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

氣站內根據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設備、特氣監(jiān)測設備及防護設施。如惰性氣體間需安裝氧氣偵測器，實時監(jiān)控房間內氧氣濃度，若低于安全限制能及時報警。由于可燃及自燃性氣體一旦發(fā)生泄漏，則存在爆炸的風險，因此可燃及自燃性氣體間在設計上需考慮防爆、消防滅火設施等因素，同時其供應設備內也應配制火焰探測器或者溫度探頭。

特氣根據其性質進行分區(qū)管理，不但便于特氣運行人員日常操作，發(fā)生異常情況能及時處理，而且一旦發(fā)生事故則可降低事故風險，減小疊加傷害。

二、特氣輸送系統(tǒng)簡介

由于特氣的性質及用量不同，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個部分組成。

1.供氣設備（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，通過全自動控制為工藝設備精確高效的輸送和供應特種氣體。全自動大宗特氣輸送柜主要有3部分：內部的氣盤、輸送柜柜殼及柜體上方的可編程控制器。氣盤是輸送柜內部的主體結構，主要由面板、氣動閥、調壓閥、壓力傳感器及真空發(fā)生器等構成。其外殼主要由冷軋鋼板及安全玻璃構成，具有防爆防漏的功能。柜體上部為可編程控制箱。

其設備原理：將兩瓶工藝上需使用的特種氣體的Y-鋼瓶（以下簡稱A、B氣瓶）放置于氣體房中，氣瓶與輸送柜連接，通過控制箱控制氣動閥門的開啟及關閉來達到送氣的目的。另外將一瓶高純氮氣鋼瓶（以下簡稱C氣瓶）置放于輸送柜中，用于吹掃盤面。將A氣瓶的閥門打開后，點擊控制箱的觸摸屏通知控制箱氣瓶已開，控制箱的電磁閥即會接收到信號輸送壓縮空氣等氣動氣源來開啟氣盤的氣動閥，氣動閥一經開啟，氣瓶中的特氣即會經過調壓閥、過濾器等處理后被送至后段設備。當A氣瓶中的氣量達到最小設定量時，磅秤或壓力傳感器會測量并發(fā)送信號，通知控制箱關閉電磁閥，電磁閥停止輸送氣動氣源，則氣動閥關閉，A氣瓶中的氣體輸送停止。同時控制箱發(fā)送信號開啟控制B氣瓶的電磁閥，則與前述控制A氣瓶的電磁閥被開啟一樣，最終實現B氣瓶的氣體被輸送至后段。如此實現氣柜自動切換A/B氣瓶并自動供氣的核心功能。操作人員可在撤換A或B氣瓶的時候開啟C氣瓶中的吹掃氮氣對設備管路進行吹掃，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，同時沒有自動吹掃功能，鋼瓶交換過程主要由人手動操作完成。

2.氣體分配設備（VMB、VMP）

當多臺工藝設備均使用某一種特種氣體時，行業(yè)內使用VMB（閥門分配箱）或者VMP（閥門分配盤）將集中供氣氣源通過多條支路上的閥門等裝置分流到各個工藝設備供其使用特氣。

VMB與VMP的工作原理相同，只是VMB多一個外殼，增加其密封性，且裝有排風設施保持柜體內負壓。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.尾氣處理設備

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

4.特氣監(jiān)控及偵測系統(tǒng)（GMS、GDS）

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

GDS主要由氣體探測器、報警控制器和裝有專門軟件的計算機組成。報警控制器通過PLC聯(lián)動控制特氣設備氣動閥的電磁閥，并發(fā)出聲光報警。某些GDS的報警控制器還聯(lián)動相應的風機，一旦特氣泄漏除了自動關閉特氣設備供氣閥門外，還能啟動該房間的強制排風。特氣中的惰性氣體無需對應的氣體偵測器進行監(jiān)控，只檢測所在環(huán)境中的氧氣濃度。而對于工藝設備而言，當使用多種有毒、易燃易爆或腐蝕性的特氣時，需配備多種對應的氣體偵測器。

GMS及GDS系統(tǒng)一般設置一級報警和二級報警兩個級別，對應黃色和紅色聲光警報。GMS系統(tǒng)中警報的設定值一般是根據工藝要求的特氣輸送壓力來設定的，而GDS的警報值是根據該特氣的TLV值來設定的。一般GDS系統(tǒng)一級警報的設定值為該特氣的TLV值的一半，二級警報的設定值為該特氣的TLV值。

5.特氣輸送管道

特氣的輸送管道是由具備專門氣體管路焊接資質的人員才能進行焊接的，管道焊接安裝完成后，需經過專業(yè)的技術人員進行5項測試，如保壓、氦檢、顆粒測試、水分測試、氧份測試。對于輸送腐蝕性氣體的管道還要進行鈍化操作。

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級不銹鋼管，接頭形式為VCR方式。對于高毒特氣需使用雙套管的形式來輸送，內管與外套管之間進行抽真空操作，并安裝負壓表實時監(jiān)控其真空度。內管采用EP級不銹鋼管，外套管可采用BA級不銹鋼管。對于特氣中的惰性氣體也一般采用BA級不銹鋼管。

三、特氣安全運行與管理中需注意的事項

1.嚴格按照安全操作規(guī)程作業(yè)

特氣系統(tǒng)在投入使用前，安全的設計理念已貫穿其中，并且特氣系統(tǒng)的操作和維護都有相應的標準操作規(guī)程。特氣系統(tǒng)日常操作如換瓶、維護等都要雙人作業(yè)，通過監(jiān)督以確保人員每一步操作遵照安全步驟進行。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)計表明，幾乎所有的特氣責任事故都是由于操作人員沒有嚴格按照操作規(guī)程來作業(yè)。

特氣運行管理人員必須取得危險化學品管理安全資質、壓力容器及壓力管道作業(yè)資質，另外相關人員還需要經過專業(yè)的特氣設備操作維護運行及異常處理的專業(yè)培訓后方可上崗作業(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，并感覺掌握了特氣的專業(yè)知識，因此在特氣作業(yè)過程中精神不集中，跳過安全操作規(guī)程的某些步驟，最終導致事故發(fā)生。

2.注意特氣系統(tǒng)狀態(tài)及儀表數值變化

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，特氣系統(tǒng)在發(fā)生故障之前或者已經發(fā)生故障卻無報警產生時，從系統(tǒng)狀態(tài)或儀表數值變化的情況可以發(fā)現異常。

運行人員每天需對特氣系統(tǒng)進行數次點檢和巡檢。特氣系統(tǒng)狀態(tài)及儀表的數值是點檢及巡檢的重要內容，如壓力、溫度、重量等，還包括所有氣體偵測器的檢測數值。在標準的點檢表中，特氣儀表數值都有一個管理值。運行人員在點檢過程中察看各個數值是否在管理值范圍內，如超出管理值，則必須馬上查找原因。

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

3.特氣泄漏應急處理

特氣運行現場都有針對每種特氣泄漏的緊急響應程序。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，出現特氣報警后ERT按照緊急響應程序需要按以下幾個主要步驟進行動作：

（1）通知負責人或協(xié)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、開啟強制排風。

（2）確認泄漏及特氣溢出量，確定報警級別是否下降或維持。

（3）事故評估以及分區(qū)。

（4）根據氣體決定PPE及ERCV緊急反應安全容器。

（5）進入該區(qū)域處理泄漏和特氣溢出。

（6）現場清理。

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行動。在根據調查的泄漏信息進行分區(qū)時需注意風向和風速。泄漏區(qū)域為熱區(qū)。根據泄漏特氣種類和泄漏量決定暖區(qū)。設備和ERT成員在冷區(qū)。對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，還需要調查整個泄漏細節(jié)及污染程度，同時分析特氣泄漏的根本原因，找出對策及防治措施。

結語

隨著半導體集成電路、光伏等行業(yè)的國內外市場需求擴大，特氣的用量會進一步擴大，對特氣的品質要求也會越來越高。特氣輸送系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行是企業(yè)今后發(fā)展不能忽視的環(huán)節(jié)。在特氣輸送系統(tǒng)進行設計時，要全面考慮安全問題，盡量實現設備自動化，減少人工操作。在特氣輸送系統(tǒng)構建時，做到嚴格按照安裝要求進行施工管理，特氣設備運行后，進行有效的運行管理，特氣泄漏風險將能極大地降低。

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