畑中石墨阀门在多晶硅领域的应用

         日本德山株式会社千代田马来西亚项目

一．多晶硅生产过程和工况

 1. 目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有:改良西门子法、硅烷法和流化床法。其中改良西门子工艺生产的多晶硅的产能最大,约占全世界总产能的80%。

 2. 改良西门子法:闭环式三氯氢硅氢还原法

   改良西门子法是用氯气和氢气合成氯化氢(或外购氯化氢),氯化氢和工业硅粉(粗硅)在高温下合成三氯氢硅,然后对三氯氢硅进行化学精制提纯,再经多级精馏,使其纯度达到9个9以上,其中金属杂质总含量应降到0.1×10-9以下,提纯精馏后的三氯氢硅在氢还原炉内进行CVD(化学气相沉淀法)反应生产高纯多晶硅。国内外现有的多晶硅厂绝大部分采用此法生产太阳能级与电子级多晶硅。

3.  工况:高温高压条件下多晶硅的生产过程中会产生三氯化氢硅等毒性很高的流体，因此要求零泄漏。此外，坚硬的颗粒状的流体在管道中高速冲刷，对阀门造成很大的损坏，降低了阀门的使用寿命。为了提高阀门的使用寿命，就必须提高密封面的硬度。

二．石墨阀门特点及畑中阀门业绩。

1.传统球阀超过200℃以上软密封球阀就不能使用,必须使用硬密封球阀。然而硬密封球

  阀的阀座和球需进行表面硬化处理。无论是喷涂还是堆焊及其他方法均有以下缺点：

  ・表面硬化时间长，交货期长

  ・表面处理难度大，工艺等多

  ・环境污染严重

  ・扭矩大，成本高

  相反，在温度不高于450℃时可选用石墨阀座，有以下优点：

  ・对应阀球不需要进行表面硬化处理

  ・加工容易，操作简单，密封性能好

  ・扭矩小，开关次数越多扭矩越小，操作越快捷

  ・造价低，比同等规格硬密封减少25%以上成本

   综上所述，同等口径和磅级的阀门，石墨密封的扭矩小，使用的阀杆直径变小，阀杆以上的其余零部件(包括填料执行机构等)的尺寸规格就会减小，重量减轻，价格降低。阀门的口径和磅级越大，石墨阀座球阀的优势就越明显。因此，石墨阀座阀门取代450℃甚至更高温度的硬密封阀门必将成为趋势。

三．阀门材料

1.高温阀门的阀体材料为WCB，硬密封阀体的材料为不锈钢SS304和SS316。

2.高温阀阀座为碳石墨

  碳石墨(CARBON GRAPHITE)阀座是由SLG GROUP(西格里集团)生产的用于机械密封的材料。其中的EK3205,EK3235,EK3245,EK3255等浸锑碳石墨材料使用温度可达到550℃,在氧化环境中可达400℃。此系列碳石墨材料还具有如下特点：

1)摩擦系数小，下面的摩擦系数(μ)可作为参考：  湿运转：μ=0.01-0.05 混合运转：μ=0.05-0.10 干运转：μ=0.10-0.25

2)磨损率作为对摩擦

  面材料的功能，在

  稳定的4.4米/秒的

  摩擦速率和稳定的

  10巴的介质压力下，

  EK2230和EK3235在

  对不同的摩擦材料

  (铸铬，氧化铝和碳

  化硅)的磨损数值。

  介质：水                 

3)使用寿命：由于在实际应用中有许多因素需要考虑，所以很难给出期望的磨损数值，

  这些因素包括：

  ●对摩材料

  ●磨擦速率

  ●载荷                               

  ●对摩面光洁度

  ●被密封介质中杂质的存在

  ●使用工况

   以摩擦速率对碳化硅材料的磨损率为例，EK2200和EK3205在稳定的9米/秒和增加载荷的情况下的磨损率。如下图所示。 介质：软化水

4)金属套筒环密封

  碳环通过热压到金属铸环内，单个碳环作为压缩机内的金属套环密封。压缩的碳密封

设计要求非常小的密封间隙公差。在变动的工作温度下，密封间隙能保持稳定状态。关

于金属铸环的设计，尺寸及形位公差必须配合紧密，原因是即使碳环在热压后已经被机

加工过，任何多余的变形都将转移到碳环的密封表面。金属铸环的壁厚约为密封件外径

的3%，至少要达到2mm。碳密封环和金属环之间的热缩配合取决于工作温度。本项目中的阀座即为此种构造。

5)TMP项目中使用EK3245碳石墨阀座物理性能

6）带加长杆阀门的阀杆材料为因科洛伊(INCOLOY)800H，其余阀门的阀杆材料为F51。

7）硬密封球表面进行镍基合金MECTO 16C喷涂。

8）硬密封阀座以及加长杆阀杆处进行司太立堆焊。

9）阀体与阀盖间使用日本VALQUA公司不锈钢金属丝缠绕的密封圈V#6590。

10）填料采用日本PILLAR公司的P#6710CH和P#6616CH(6610CH)组合。密封性能好，    

扭矩小。使用温度为-200～600℃，压力为77.6MPa(4500CL)。

四．设计特点

1.硬密封球阀

1)左右阀座非对称式结构设计，上游阀座固定，下游阀座可根据实际流体压力以及弹簧微调。

2)阀门关闭之后，温度冷却管道中残留流体变为固体会影响到阀门的开关。确保阀腔空隙最

  小，采用POCKETLSS设计。50A以下间距0.5mm,50A以上间距1mm。

3)阀体与阀盖中法兰外径不一致：因材料为锻件，既不影响阀门效果，同时节省材料。

4)密封效果要求高，填料圈数较多，阀杆加长，阀杆从下向上无法安装。故采用阀杆从上向

 下装，同时又要满足阀杆防蹦出结构，在阀杆处采用SPLIT RING设计。

2.150LB及300LB石墨阀座大口径球阀及600LB球阀：下图为100A-600LB石墨阀座球阀。

            石墨球阀                                       阀座处设计

1)和硬密封一样，防止阀杆蹦出采用SPLIT RING设计，阀杆从上向下安装。如果球和阀杆

  连接处用固定球阀通常圆形或者方形设计，则球无法安装。如果按照一般的浮动球阀设

  计虽然能装进去但却达不到固定球阀的作用。本图中将浮动球阀常用的前后开槽改为左

  右开槽，既能达到固定球阀的目的也不影响安装，可称为“固定球阀的浮动旋转设计”

2)阀座处设计

a:阀座通过外面的金属圈与其后的连接件固定在一起，安装时作为一个整体，可以到达

  整体阀座的效果。

b:阀座背面采用75度石墨密封圈，巧妙的形状结构在压缩过程中合理密封。

c:阀座后一圈弹簧可根据实际状况自行调整,确保密封。

d:流体中的杂质进入阀座背面阀门使用寿命将减短，设计一个小的石墨密封圈可有效阻止流体中的杂质进入阀座背面。

五．零部件加工

1.石墨阀座的研磨。

2.加长杆阀杆的加工。

1)根据顾客及工况要求，阀杆和阀体配合处堆焊司太立合金，首先进行前加工。

2)前加工完成之后，不能直接堆焊。因为阀杆的材料为因科洛伊800H,直接在其上堆焊司太

  立粘性不够，堆焊之后容易发生脱落。通常需要在保温炉中加热保温2个小时以上才可以

  堆焊。

3)堆焊之后也不能直接加工，需要放置2个小时以上进行时效处理才可加工。放在保温炉中

  缓慢保温冷却效果更好。通常加工时先在普车上粗车一遍，然后在数控车床精加工。

3.其余零部件的加工。

由于加工精度要求较高，阀体，阀盖等主要关键零部件都采用数控车床加工。          

六．检查和检验。

阀门检查基本标准为JPI-7S-39，针对具体项目顾客有相关要求时，按照其要求执行。

1.操作和检查人员的资质证明。(千代田项目式样规定)

1)焊接检查员须有美国焊接协会CWI的二级资格证或者其他同等资格。同时检查人员还需要精通ASME B31.1，31.3以及API620,650和ASME的第Ⅴ、Ⅷ、Ⅸ部分等相关规范。

2)非破坏检查员须有美国非破坏检查协会ASNT的二级资格证(PT,RT,MT,UT)或者其他同等资格。需要做PMI时，检查员必须熟知PMI机器的校正，操作方法等。

3)机械检查员必须熟知ASME的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ、Ⅸ部分以及ASME B31.1、31.3,NACE、 API620/650。此外，还要精通AWS D1.1中检查和试验用器具的相关内容。

4)涂漆检查员须熟知使用的器具，检查和试验的步骤。检查员需要有NACE CIP，FROSIO，SSPC PCI相关资格。、

2.零部件的检查。

1)破坏性试验:包括机械性能，化学成分以及切断试验。

a)机械性能包括：屈服点，拉伸强度，伸长率(百分比)，红色区域(百分比)。同时便于管理,

                做过强度试验的试件需要将其对应零件的炉号纪录并保存。

屈服强度，拉伸强度，伸长率和断面收缩率均可通过简单计算得出结果。 

b)化学成分：首先材质报告，包括阀体，阀盖，加长杆，球，阀杆，螺栓螺帽。   

除材质报告外，根据要求对球和阀杆作PMI分析。PMI试验进行材料分析时受温度影响会有所改变，保证分析出来的成分能够反应材料的准确性，需要保证环境温度不能超过25度。

c)切断试验：在内表面及切断面剖面上作PT试验。

2)非破坏性检测

一般检测：RT 和UT主要用于探测试件内部缺陷，MT和PT主要用于探测试件表面缺陷。

本次采用渗透检测法中的着色，水洗，湿式法。(上图为PT之后的切断图)

检测基准参照下列规格：

ASTM2009: Standard Practice for Liquid Penetrant Examination for General Industry

           液体渗透探伤的实验方法。

JPI-7S-39: 阀门检查基准。位置主要是阀体和阀盖法兰根部以及BW的焊接部，长度为壁厚

         的3倍或者70mm以上。(图中阴影部分)

JIS Z 2343-1～4 非破坏试验-浸透探伤试验  

3)球的检测：诚然，球阀的核心零件为球。本公司球的加工精度可达到0.005。本公司采用先进的球专用检测仪器同步进行水平竖直方向移动得出阀球表面数据，几次检测之后按照最小二乘法计算出阀球的公差。分别在XY，ZX面上得出阀球的椭圆度，最后再和CAD图纸比较评价。按照对比出来的结果对球表面进行调整，直至达到规定公差范围之内。

测定用机器和软件：

◆三维测定机CRT-AC9168

◆通用测定软件GEOPAK

◆自由曲面评价软件CAT1000S

◆扫描测探仪SP25M/SH25-3

◆数据处理装置MCOSMOS

◆轮廓形状测定软件SCANPAK

◆探测针PH-10Q

◆测定芯φ5-L21mm

测定流程和结果

  1.纵18断面和横12断面扫描测定1个断面约35秒(10mm/s)

  2.用扫描数据得到的数据进行计算(最小二乘法)

  3.用扫描得到的数据进行XY断面  和ZX断面的椭圆度评价

  4.用球的三维模型和扫描得到的数据对比进行评价

3.整机的检查。检查基准：JPI-7S-39

1)目视外观检测。

(1)铸件中不能有沙眼，气孔、夹杂、夹沙、密集气孔、冷隔、缩孔和缩松、裂纹等。

(2)锻件中不能有缩孔和缩管、非金属夹杂物、夹砂、龟裂、锻造裂纹、白点等。

(3)焊接处外观不能有咬边，焊瘤，凹坑,未焊满，烧穿，成形不良，错边，塌陷，表面气孔

 及弧坑缩孔，各种焊接变形等。此外，还不能有气孔，夹渣，裂纹，未焊透和未熔合。

 以及焊缝化学成分或组织成分不符合要求，过热和过烧，白点等。

(4)机械加工面不能有缺陷，加工之后毛刺要打磨。原则上阀体阀盖的大小应完全一致，如果铸件尺寸偏差在4mm之内可以接受，超出4mm需要用插床加工。

2)尺寸及公差检查。

 法兰标准：ASME B16.5或JPI-7S-15。  结构长度：ASME B16.10或JPI-7S-67

 根据客户要求，尺寸检查为10%的抽查，抽查出现不合格产品时则全检。

 指定的重要零部件所有加工尺寸及公差都需要检验，并配有零件检验纪录跟踪卡。

3)压力试验：壳体试验和阀座密封试验及操作

 检查规格：ISO 5208: Industrial valves: pressure  testing  of  valves

 千代田项目根据顾客要求，判断基准如下：

 150LB以及300LB壳体压力为3.0MPa,根据阀门大小时间从15秒到120秒，要求零泄漏，

 阀座密封试验压力为0.6MPa,时间从15秒到120秒，50A以下阀门要求零泄漏，80A以上

 阀门允许有一些气泡，但气泡数量有明确规定。

阀座密封试验：根据大小磅级检测阀座在额定气压下的规定时间内气泡的数量是否超过容许

              范围判断是否合格。便于返修不合格的阀门应注明阀座面和球面之间漏还是

              阀座背面漏。检测时阀门处于全关状态。

检测要点：

1准备好手电筒，秒表以及纪录报告。

2观察前要确认压力表，检测过程中也要随时留意压力有没有下降。

3开始时稍微泄漏多数原因是因为球和阀座的研磨不良，可以把压力关闭之后，将阀门开关  

  数次，达到研磨的效果，小阀门可以带压直接开关，效果会更好。开关要匀速操作。

4数次开关之后如果阀座还漏，可以考虑将压力升高保持一段时间再将压力降回标准，由于

   浮动球阀刚开始球没有调整到最佳位置，压力升高可使球自由调整到最佳位置。

5上述操作之后阀门还漏则需要返修。请仔细观察是球与阀座面之间泄漏还是阀座背面泄漏

   并作出明确标志，便于维修人员快速有效的返修。

6如果是阀座后面带弹簧的较大的阀门，刚开始阀座背面气泡多有可能是弹簧处吸水。

  可将压力卸掉，等待一段时间吸水“饱和”之后再试压。

7如果是小阀门单边密封检测完之后，转到反面时小心拿放，避免法兰面磕碰。

8每台检测合格之后立即按照相应的SN号码纪录。

 注：小于等于2B的阀门单边完成之后需要手动翻到对面，随后再实行壳体实验。3B及以 上的在大型压机上操作，从阀座到壳体都是操作压机完成的。

 壳体实验：首先让阀门处于半开，使得阀门内部全通，规定压力的氮气进入阀门内腔，阀体与阀盖之间，加长杆以及填料处均处于密封状态。将阀门整体置于水池中看是否有气泡冒  出来判断是否有泄漏。除了密封面泄漏外有时由于铸件不合格会有砂眼 出现。比起传统的刷肥皂水的方法，置于水池中检测简单，方便，可靠性更高。

9传统的刷肥皂水的方法因为效率低,判断不精确,所以不建议使用

10将阀门沉入水中之前让阀门处于半开状态，使得内腔全部连通。(水中加入防锈粉)

11出现气泡的时候需看清楚是哪里漏，如果是填料处泄漏，请将压填料的压盖螺栓拧紧。此操作直接在打压时实施。如果是阀体和阀盖之间泄漏，由于操作不方便需要泄压把阀门取

出之后再将相应的螺栓拧紧。这两处阀门不漏即可，如果拧的太紧，扭矩会变大。

12拧紧之后还是漏就需要返修。同时请注明泄漏之处便于返修。此外，需要特别注意阀体浇冒口附近有没有砂眼。对铸件来说浇冒口附近是“危险区域”。

13有气泡出现不一定就是阀门泄漏，如果是连接法兰处有气泡，原因可能是密封圈需要更换或者阀门没有夹好等原因。

14每台检测合格之后让阀门处于全开状态，按照相应的SN号码纪录。阀门操作：指阀门的开关操作。小阀门用手柄，大阀门用手抡。规定最大拉力不能超过 30公斤。测量时请缓慢拉动拉力计。

手轮操作的阀门涡轮箱装好之后，为了确认两个固定螺丝的位置是否整好全开全关，需要

再重新进行一次密封试验。

八.清洗防锈和包装。

1.清洗：

 1)在阀体,阀盖等主要零部件加工完成之后组装之前的一段时间内,直接放与空气中,会因为

   温度,湿度以及时间发生不同程度的生锈.为了防锈可给零件喷少量的油。

2)因为阀座和密封圈是石墨材料,不能直接接触油,所以在安装之前在阀座和密封圈直接接触

  的加工面上用酒精擦拭。

3)组装打压合格之后,对阀门整机进行超声波清洗:超声波清洗是利用超声波在液体中的空化

  作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、

  剥离而达到清洗目的。清洗液用超声波清洗液与水按照规定的比例配。

2.干燥：阀门清洗完成之后表面以及内腔会残留水分,需立即进行干燥.干燥有两个主要的因

  素,表面空气的流通速度和温度.本次阀门高温烘干。

3.包装：(出货时阀门处于全开状态)

1)阀门通道中卷一张防锈纸，阀门外表面再用防锈纸包住。最后将阀门装入真空袋中。

  (海运中有生锈，将真空袋打一个小孔之后能有所改善)

2)用保鲜膜将阀门全部缠绕，效果会更好。

参考文献:

1. 万夏 杨迪  多晶硅产业发展现状及前景分析  市县经济  2008年第10期

2. 丁国江  袁永春  中国多晶硅产业链现状及发展方向 东方电气评论第92期

3.  西格里 特种石墨(上海)有限公司宣传资料

作者介绍

 裘铮浩 (1954-), 男, 上海人，日本硕士毕业，高级工程师，从事阀门设计30余年。

 刘智(1983-), 男,  陕西人  工程师从事阀门产品设计生产工作