关于多晶硅生产设备腐蚀开裂问题的探讨

段春林

（四川瑞能硅材料有限公司)

0 概述

目前，我国一些多晶硅企业的生产设备在生产运行一年多以后就出现了很多的问题，很多塔、储罐、换热器等压力容器和压力管道在一些关键部位均出现不同程度的腐蚀开裂，其中很大一部分裂纹无法进行简单的修复处理，造成设备的早期失效，必须更换新的设备。设备的使用寿命大大缩短，高昂的设备更换成本也是制约我国多晶硅企业生产成本高居不下的重要因素。

因此，需对目前多晶硅生产设备出现的问题做进一步的分析和探讨，找到问题的根源，在设备的设计、制造和使用全过程进行优化、改进和控制，使多晶硅设备的正常使用寿命达到或超过设计寿命，这样才能够有效地降低多晶硅企业的设备成本，从而大幅降低多晶硅生产成本。

1 问题分析

1.1 裂纹定性分析

因条件所限，暂无法对设备的裂纹部位取样进行微观金相分析，但可根据裂纹的一些特点进行分析判断。多晶硅设备上的裂纹具有如下一些特点：裂纹产生的时间通常都在开车运行约1年以后，裂纹产生的部位通常在封头上以及封头与筒体焊缝周围、筒体与接管焊缝周围等易产生应力和应力集中的部位，裂纹分布状态为干枯的树枝状、疏松的网状、龟裂分布状以及裂纹与焊缝相垂直的横向分布状等。从裂纹的这些特点可以判断：造成设备开裂、物料泄漏的裂纹应为沿晶和穿晶的应力腐蚀裂纹 (stress corrosion cracking，简称SCC)。裂纹形貌如图1所示。

图1 裂纹宏观形貌

SCC是容器、管道等设备在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下 （包括工作应力和残余应力）产生的一种延迟破坏的现象。由于应力腐蚀裂纹是在设备服役过程中产生的，易造成各种失效事故，所以其所带来的危害十分严重。

1.2 裂纹产生机理

SCC裂纹问题非常复杂，涉及到力学、电化学、金属物理、焊接冶金等多学科，并需要一些高级的测试手段，因此，到目前为止，对SCC的机理还不是十分清楚。电化学应力腐蚀开裂机理和机械破裂应力腐蚀开裂机理是比较公认的两种观点。

（1）电化学应力腐蚀机理

在应力作用下，阳极发生M+的溶解，金属以离子状态溶入介质：

当金属表面与含有H+的介质接触时，电子e与H+就结合成氢原子H：

而氢原子向金属中扩散，就导致了金属脆化。

（2）机械破裂应力腐蚀机理

设备在应力作用下 （包括残余应力、承载和冷作加工等）将会产生不同程度的塑性变形，当塑性变形大到一定程度就会产生 “滑移台阶”。当滑移台阶的高度大于氧化膜的厚度时，就会使氧化膜破裂，从而使金属露于表面，在腐蚀介质作用下，金属就会被快速溶解，从而发生SCC。焊缝热影响区（HAZ）的粗晶区对SCC最为敏感。

总之，在应力和腐蚀介质共同作用下才能产生SCC。多晶硅生产过程中的HCl、氯硅烷等介质均属于腐蚀介质，在应力作用下 （包括设备焊接残余应力、承载应力、开停车引起的应力等）是比较容易使设备产生应力腐蚀裂纹的。

2 解决问题的方法

通过分析SCC的产生机理我们知道，可以从消除应力和提高材料耐蚀性能等方面着手来降低设备发生SCC裂纹的几率，避免因SCC裂纹引起设备过早失效，延长设备的使用寿命。

2.1 消除内应力

应力的产生大致有三个因素：

（1）设备结构设计不合理容易产生应力集中等问题；设备在制造过程中还存在焊接或强力组装而产生的残余应力。

（2）设备上存在着内部介质作用产生的应力。

（3）由于开、停车频繁造成设备所承载的压力、温度等频繁变化而产生的应力。

设备的内应力是客观存在的，也是无法彻底消除的，但可以从以下几方面尽可能地消除大部分内应力：

（1）优化设备结构设计，避免设备焊接结构产生较大的应力集中等问题。

（2）严格做好设备制造过程的控制，避免采用强力组对，制定合理的焊接工艺规程，防止产生过大的焊接残余应力，焊后通过整体或局部热处理消除焊接应力。

（3）设备经常超负荷运行对设备自身造成的危害是非常大的，会显著加快设备发生应力腐蚀裂纹的进程，因此必须避免设备超负荷运行，将设备介质工作压力控制在设备设计压力范围内。

（4）避免设备运行过程中频繁的非正常开停车，减少正常开停车频率。

2.2 提高设备耐蚀性能

可以从以下几方面考虑提高设备耐蚀性能：

（1）设备设计选材时，需根据HCl、氯硅烷等介质的腐蚀性质，选择能够耐相应介质腐蚀的材料制造相关设备。

（2）对于设备制造过程中产生的划痕、打弧时的烧痕、焊接时的飞溅和夹具、拉筋等留下的痕迹需彻底消除，否则将会降低材料耐蚀性能。

（3）合理选择焊接材料，使焊缝的化学成分和组织尽可能与母材一致。

（4）严格控制焊接线能量，防止焊接热影响区晶粒粗大。

（5）运用表面工程新技术，对设备中与腐蚀介质接触的一侧进行表面处理。例如，可采用喷涂耐蚀金属层、塑料涂层等方式提高材料耐蚀性能。

3 结束语

太阳能光伏行业作为一个新兴绿色能源产业，前景非常光明。目前，作为光伏电池组件的主要原料多晶硅的生产成本还比较高，使得光伏发电与传统的水电、火电相比优势还不十分明显。多晶硅生产成本控制方面还有很长的一段路要走，除了在生产工艺方面需要不断改进以外，还需研发制造出与新的生产工艺、工作环境和工况相适应的技术装备。

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