多晶硅生产系统阀门 选型分析

刘见华 赵雄 万烨 赵宇 严大洲

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038； 2.洛阳中硅高科技有限公司，河南 洛阳 471000)

0 引言

阀门是化工管路系统的重要组成部分，用于对介质的流量、流向和压力进行控制[1]，阀门费用约占化工系统配管投资的40%～50%，因此，阀门的合理，正确选型对系统的投资、生产精准控制有很大的影响。目前我国多晶硅产能超40 万吨，位居世界首位，多晶硅生产系统复杂，生产过程需要用到大量、多种型号、规格和数量的阀门，本文结合生产实践，从阀门结构特点和经济性两方面，对多晶硅生产中常用阀门进行选型分析。

1 阀门的分类

阀门包括阀座、阀盖、阀体、驱动机构、密封件、启闭件、紧固件等部分，按照作用可分为：

(1)截断类：截断或接通传输介质，包括旋塞阀、球阀、闸阀、蝶阀等。

(2)调节类：用于调节介质的流量、压力，包括调节阀、减压阀等。

(3)止回类：用于防止介质倒流、防止泵及驱动电机反转。

(4)安全类：防止系统压力超过设定值，对设备或管路进行保护，如防爆阀、安全阀等。

(5)分流类：用于介质的分配、分离和混合，如疏水阀。

2 多晶硅工厂阀门选型

2.1 压力等级

首先要确保阀门的压力等级在工作温度下的最大允许压力大于工作压力。同一压力等级阀门的最大允许压力与介质的温度有关，在一定的温度范围内，阀门的最大允许压力将随温度的升高而减小。因此，在选用阀门时，一定要查看阀门的压力-温度表，尤其高温高压条件下。另外，大部分阀门实际使用压力都较低，PN16 的阀门和PN25 的阀门价格相差不大，考虑到阀门的价格以及通用性因素，多晶硅系统主工艺物料、氢气、压空和氮气等管道，一般按照PN25 和PN40 压力等级选用。

2.2 阀门材料

阀门材料包括阀盖、阀体、启闭件、密封面、螺栓、阀杆、螺母、垫片、填料和手轮等材料。多晶硅系统中，阀体材料一般选用碳钢和不锈钢，对于介质为氯硅烷、氢气或含其混合物的管道，在干法低温、氢化高温高压和精馏产品等工序阀门选用不锈钢阀门，其余情况下的阀门也可考虑使用碳钢阀门[2]。对于介质为压空、氮气、导热油、循环水和高温水的管道，选用碳钢阀门。阀座密封面一般选用聚四氟乙烯、合金钢、硬质合金和橡胶。

2.3 球阀

球阀具有结构简单、阻力小、启闭迅速和密封性好等优点，在多晶硅系统中使用最多，主要用于氯硅烷、氢气或含其混合物、氮气、压缩空气的截断，占所有阀门的70%。

浮动球球阀一般用于中低压场景，固定式球阀的转矩小、阀座变形小，密封性能好、适用于高压、大口径场合。由于球阀启闭力矩较大，当DN≥125mm 时需选用蜗轮驱动球阀，当使用温度T≤150℃时密封面采用聚四氟乙烯，150℃＜T≤200℃时密封面采用改性聚四氟乙烯，＞200℃时密封面采用硬质合金。

2.4 截止阀

截止阀用于多晶硅系统中导热油、热水和蒸汽等的切断和调节，由于此类介质的温度较高，故一般选用波纹管密封的截止阀，其关键部件为金属波纹管，上下端分别与连接板和阀杆组件自动滚焊焊接，使得在介质和外界空气之间形成金属屏障，保证阀杆零泄漏。作为辅助密封，采用双重密封设计，在波纹管上设置填料，在波纹管失效的情况下，也会避免阀杆填料的泄漏。

2.5 蝶阀

蝶阀密封性较差，但价格便宜，一般用于热水、循环水和导热油的启闭和流量控制。当使用温度≤120℃时，蝶阀密封面一般采用橡胶，当使用温度＞120℃时密封面采用合金钢。但是由于橡胶不耐磨、易损坏，蝶阀的密封面优选合金钢[3]。

对于输送氯硅烷气体或液体管道上的阀门，当DN≥200，PN≤1.6MPa，T≤200℃时，由于球阀体积过大，可考虑使用三偏心双向金属密封蝶阀。对于输送导热油的管道上的阀门，当DN≥200 时，可考虑使用三偏心双向金属密封蝶阀。

2.6 闸阀

闸阀由于结构复杂，启闭时间长，外形高度大、密封面易损伤等缺点，且小口径(DN≤150)价格较贵，故使用较少。但其结构长度较短，大口径价格一般比球阀和截止阀便宜，在密封性要求不高的情况下，也可考虑使用。对于导热油和蒸汽管道，当管径较大(DN≥200)时，可考虑使用闸阀(带波纹管)，尤其是调节阀的前后切断阀。

2.7 止回阀

在多晶硅系统中，垂直管道上的小口径止回阀一般选用立式升降式止回阀，水平管道上一般选用直通式升降止回阀。对于大口径应用，一般选用旋启式止回阀，可垂直安装或水平安装，主要用于热能转换站。对于水介质，一般使用蝶式止回阀，主要用于供水车间和三废处理站。对于活塞压缩机出口管道上的止回阀，由于活塞压缩机的气流不稳，存在脉动，造成阀瓣频繁动作撞击阀座，发出声音，考虑选用活塞压缩机专用的气阀式止回阀。

2.8 疏水阀

自由浮球式疏水阀的排量大，排空气性能好，不受工作温度和压力变化的影响，过冷度小，能连续排除凝结水，可以有效排饱和温度凝结水，保证加热装备处于最佳工作效率，多晶硅系统中多选用此种类型的疏水阀，但是自由浮球式疏水阀室外安装时要注意防冻。分为具有自动排气功能和不具有自动排气功能两种，当选用后者时，需选用附加热静力型排气阀或设置手动放空阀。

2.9 安全阀

在多晶硅系统中当用于排放气体时，选用弹簧全启封闭式安全阀，当用于排放液体时，一般选用弹簧微启封闭式安全阀。当用于排放蒸汽时，优选弹簧全启不封闭式安全阀。当用于排放高温水时，一般选用弹簧微启不封闭式安全阀。用于高温(高于235℃)的弹簧式安全阀，必须考虑弹簧隔热。一般在阀体与弹簧之间设置散热片，降低阀盖内腔温度，保护弹簧不受高温影响。

2.10 阀门选用注意事项

不锈钢阀门出厂前做洁净脱脂处理。闸阀只用于切断介质，一般全开全关，不可调节流量；截止阀和蝶阀可用于切断和调节流量，经常调节流量的部位宜选用节流阀；球阀一般只用于切断，不宜用于调节流量。闸阀、球阀和普通蝶阀的安装是无方向要求。截止阀、自密封闸阀、偏心蝶阀、止回阀和疏水阀的安装需按照阀体设定方向，闸阀、球阀、截止阀、蝶阀和旋启式止回阀可水平或垂直安装。安全阀都应垂直安装。直通式升降止回阀、调节阀、减压阀要求水平安装，立式升降式止回阀要求垂直安装，且介质自下向上流动。

3 结语

多晶硅生产中阀门使用多，投资占比大，结合使用条件、生产实践和阀门特点，统筹考虑经济型原则进行阀门选型，实现操作的精准控制、安全、经济。同时，为降低多晶硅的生产成本，新建多晶硅工厂向大型化、集约化发展，对控制的精准性、自动化程度、安全性要求逐步提高，要求结合生产实践，不同应用场景优选控制阀门，同时，积极引进新型控制阀门，促进系统精准控制的提升。