کاربرد خطوط لوله گاز با خلوص بالا در سیستم های مهندسی الکترونیک

کارخانه مدارهای مجتمع بسیار بزرگ مقیاس پروژه 909 یک پروژه ساختمانی بزرگ در صنعت الکترونیک کشور من در طی برنامه پنج ساله نهم برای تولید تراشه با عرض خط 0.18 میکرون و قطر 200 میلی متر است.

فناوری ساخت مدارهای مجتمع در مقیاس بسیار بزرگ نه تنها شامل فناوری‌های با دقت بالا مانند ماشین‌کاری میکرو می‌شود، بلکه نیازمندی‌های بالایی برای خلوص گاز است.
تامین گاز عمده برای پروژه 909 توسط یک سرمایه گذاری مشترک بین شرکت گاز پراکسایر Utility Gas، Ltd. ایالات متحده و طرف های مربوطه در شانگهای برای ایجاد مشترک یک کارخانه تولید گاز ارائه می شود. کارخانه تولید گاز در مجاورت کارخانه پروژه 909 است. ساختمانی به مساحت تقریبی 15000 متر مربع. خلوص و نیازهای خروجی گازهای مختلف

نیتروژن با خلوص بالا (PN2)، نیتروژن (N2) و اکسیژن با خلوص بالا (PO2) با جداسازی هوا تولید می شوند. هیدروژن با خلوص بالا (PH2) توسط الکترولیز تولید می شود. آرگون (Ar) و هلیوم (He) به صورت برون سپاری خریداری می شوند. شبه گاز برای استفاده در پروژه 909 تصفیه و فیلتر می شود. گاز مخصوص در بطری ها عرضه می شود و کابینت بطری گاز در کارگاه کمکی کارخانه تولید مدار مجتمع قرار دارد.
گازهای دیگر نیز شامل سیستم CDA هوای فشرده خشک تمیز، با حجم مصرف 4185 متر مکعب در ساعت، نقطه شبنم فشار -70 درجه سانتیگراد و اندازه ذرات حداکثر 0.01 میکرومتر در گاز در نقطه استفاده است. سیستم تنفسی هوای فشرده (BA)، حجم مصرف 90 متر مکعب در ساعت، نقطه شبنم فشار 2 ℃، اندازه ذرات در گاز در نقطه استفاده از 0.3 میلی متر بیشتر نیست، سیستم خلاء فرآیند (PV)، حجم مصرف 582 متر مکعب در ساعت، درجه خلاء در نقطه استفاده -79993Pa. سیستم خلاء تمیز کردن (HV)، حجم مصرف 1440 متر مکعب در ساعت، درجه خلاء در نقطه استفاده -59995 Pa. اتاق کمپرسور هوا و اتاق پمپ خلاء هر دو در منطقه کارخانه پروژه 909 قرار دارند.

انتخاب مواد و لوازم جانبی لوله
گاز مورد استفاده در تولید VLSI نیاز به تمیزی بسیار بالایی دارد.خطوط لوله گاز با خلوص بالامعمولاً در محیط های تولیدی تمیز استفاده می شوند و کنترل پاکیزگی آنها باید با سطح تمیزی فضای مورد استفاده سازگار یا بالاتر از آن باشد! علاوه بر این، خطوط لوله گاز با خلوص بالا اغلب در محیط های تولید تمیز استفاده می شود. هیدروژن خالص (PH2)، اکسیژن با خلوص بالا (PO2) و برخی از گازهای خاص گازهای قابل اشتعال، انفجاری، حامی احتراق یا سمی هستند. اگر سیستم خط لوله گاز به درستی طراحی نشده باشد یا مواد به درستی انتخاب شوند، نه تنها خلوص گاز مصرفی در نقطه گاز کاهش می یابد، بلکه از کار می افتد. الزامات فرآیند را برآورده می کند، اما استفاده از آن بی خطر است و باعث آلودگی کارخانه تمیز می شود و بر ایمنی و تمیزی کارخانه تمیز تأثیر می گذارد.
تضمین کیفیت گاز با خلوص بالا در نقطه استفاده نه تنها به دقت تولید گاز، تجهیزات تصفیه و فیلترها بستگی دارد، بلکه تا حد زیادی تحت تأثیر عوامل بسیاری در سیستم خط لوله قرار می گیرد. اگر به تجهیزات تولید گاز، تجهیزات تصفیه و فیلترها تکیه کنیم، تحمیل الزامات دقت بی نهایت بالاتر برای جبران طراحی نادرست سیستم لوله کشی گاز یا انتخاب مواد، به سادگی نادرست است.
در طول فرآیند طراحی پروژه 909، ما از "کد طراحی گیاهان پاک" GBJ73-84 (استاندارد فعلی (GB50073-2001))، "کد طراحی ایستگاه های هوای فشرده" GBJ29-90، "کد" پیروی کردیم. برای طراحی ایستگاه های اکسیژن” GB50030-91 , “Code for Design of Hydrogen and Oxygen” ایستگاه ها” GB50177-93 و اقدامات فنی مربوطه برای انتخاب مواد و لوازم جانبی خط لوله. "کد طراحی کارخانه های تمیز" انتخاب مواد و شیرهای خط لوله را به شرح زیر تعیین می کند:

(1) اگر خلوص گاز بیشتر یا مساوی 99.999٪ باشد و نقطه شبنم کمتر از -76 درجه سانتیگراد باشد، لوله فولادی ضد زنگ 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) با دیواره داخلی برقی یا لوله فولادی ضد زنگ OCr18Ni9 (304) با باید از دیوار داخلی برقی استفاده شود. شیر باید یک شیر دیافراگمی یا شیر دم باشد.

(2) اگر خلوص گاز بیشتر یا مساوی 99.99٪ باشد و نقطه شبنم کمتر از -60 درجه سانتیگراد باشد، باید از لوله فولادی ضد زنگ OCr18Ni9 (304) با دیواره داخلی برقی استفاده شود. به جز شیرهای دمی که باید برای خطوط لوله گاز قابل احتراق استفاده شوند، شیرهای توپی باید برای سایر خطوط لوله گاز استفاده شوند.

(3) اگر نقطه شبنم هوای فشرده خشک کمتر از -70 درجه سانتیگراد باشد، باید از لوله فولادی ضد زنگ OCr18Ni9 (304) با دیواره داخلی صیقلی استفاده شود. اگر نقطه شبنم کمتر از -40 درجه باشد، باید از لوله فولادی ضد زنگ OCr18Ni9 (304) یا لوله فولادی بدون درز گالوانیزه گرم استفاده شود. شیر باید یک شیر دم یا یک شیر توپی باشد.

(4) مواد شیر باید با مواد لوله اتصال سازگار باشد.

با توجه به الزامات مشخصات و اقدامات فنی مربوطه، ما عمدتاً جنبه های زیر را هنگام انتخاب مواد خط لوله در نظر می گیریم:

(1) نفوذپذیری هوا مواد لوله باید کم باشد. لوله های مواد مختلف دارای نفوذپذیری هوای متفاوتی هستند. اگر لوله هایی با نفوذپذیری هوای بیشتر انتخاب شوند، آلودگی را نمی توان حذف کرد. لوله های فولادی ضد زنگ و لوله های مسی در جلوگیری از نفوذ و خوردگی اکسیژن در جو بهتر هستند. با این حال، از آنجایی که لوله‌های فولادی ضد زنگ نسبت به لوله‌های مسی فعالیت کمتری دارند، لوله‌های مسی فعال‌تر هستند تا رطوبت موجود در اتمسفر به سطوح داخلی آنها نفوذ کند. بنابراین، هنگام انتخاب لوله برای خطوط لوله گاز با خلوص بالا، لوله های فولادی ضد زنگ باید اولین انتخاب باشد.

(2) سطح داخلی مواد لوله جذب می شود و تأثیر کمی در تجزیه و تحلیل گاز دارد. پس از پردازش لوله فولادی ضد زنگ، مقدار معینی گاز در شبکه فلزی آن باقی می ماند. هنگامی که گاز با خلوص بالا عبور می کند، این قسمت از گاز وارد جریان هوا شده و باعث آلودگی می شود. در عین حال، به دلیل جذب و تجزیه و تحلیل، فلز سطح داخلی لوله نیز مقدار مشخصی پودر تولید می کند و باعث آلودگی گاز با خلوص بالا می شود. برای سیستم های لوله کشی با خلوص بالای 99.999% یا سطح ppb، باید از لوله فولادی ضد زنگ 00Cr17Ni12Mo2Ti کم کربن (316L) استفاده شود.

(3) مقاومت در برابر سایش لوله های فولادی ضد زنگ بهتر از لوله های مسی است و گرد و غبار فلزی که در اثر فرسایش جریان هوا ایجاد می شود نسبتاً کمتر است. کارگاه های تولیدی با نیازهای بالاتر برای تمیزی می توانند از لوله های فولادی ضد زنگ 00Cr17Ni12Mo2Ti با کربن کم (316L) یا لوله های فولادی ضد زنگ OCr18Ni9 (304) استفاده کنند، از لوله های مسی استفاده نمی شود.

(4) برای سیستم های لوله کشی با خلوص گاز بالاتر از 99.999٪ یا سطوح ppb یا ppt، یا در اتاق های تمیز با سطوح تمیزی هوا N1-N6 مشخص شده در "کد طراحی کارخانه تمیز"، لوله های فوق تمیز یالوله های EP فوق العاده تمیزباید استفاده شود. "لوله تمیز با سطح داخلی فوق العاده صاف" را تمیز کنید.

(5) برخی از سیستم های خط لوله گاز ویژه مورد استفاده در فرآیند تولید گازهای بسیار خورنده هستند. لوله ها در این سیستم های خط لوله باید از لوله های فولادی ضد زنگ مقاوم در برابر خوردگی به عنوان لوله استفاده کنند. در غیر این صورت لوله ها در اثر خوردگی آسیب می بینند. در صورت بروز لکه های خوردگی روی سطح، از لوله های فولادی بدون درز معمولی یا لوله های فولادی جوش داده شده گالوانیزه استفاده نمی شود.

(6) در اصل، تمام اتصالات خط لوله گاز باید جوش داده شوند. از آنجایی که جوش لوله های فولادی گالوانیزه لایه گالوانیزه را از بین می برد، لوله های فولادی گالوانیزه برای لوله های اتاق تمیز استفاده نمی شود.

با در نظر گرفتن عوامل فوق، لوله ها و شیرهای خط لوله گاز انتخاب شده در پروژه &7& به شرح زیر می باشد:

لوله های سیستم نیتروژن با خلوص بالا (PN2) از لوله های فولادی ضد زنگ کم کربن 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) با دیواره های داخلی برقی شده ساخته شده اند و دریچه ها از دریچه های دم از فولاد ضد زنگ از همان مواد ساخته شده اند.
لوله های سیستم نیتروژن (N2) از لوله های فولادی ضد زنگ کم کربن 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) با دیواره های داخلی برقی شده ساخته شده اند و دریچه ها از شیرهای فولادی ضد زنگ از همان مواد ساخته شده اند.
لوله‌های سیستم هیدروژن با خلوص بالا (PH2) از لوله‌های فولادی ضدزنگ 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) با دیواره‌های داخلی الکتروپلی‌شده ساخته شده‌اند و دریچه‌ها از دریچه‌های فولادی ضد زنگ از همان مواد ساخته شده‌اند.
لوله های سیستم اکسیژن با خلوص بالا (PO2) از لوله های فولادی ضد زنگ کم کربن 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) با دیواره های داخلی برقی و سوپاپ ها از دریچه های فولادی ضد زنگ از همان مواد ساخته شده اند.
لوله های سیستم آرگون (Ar) از لوله های فولادی ضد زنگ کم کربن 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) با دیواره های داخلی برقی شده ساخته شده اند و از شیرهای دمنده فولادی ضد زنگ از همان مواد استفاده شده است.
لوله های سیستم هلیوم (He) از لوله های فولادی ضد زنگ کم کربن 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) با دیواره های داخلی برقی شده ساخته شده اند و دریچه ها از دریچه های دمنده فولادی ضد زنگ از همان مواد ساخته شده اند.
لوله‌های سیستم هوای فشرده خشک تمیز (CDA) از لوله‌های فولادی ضد زنگ OCr18Ni9 (304) با دیواره‌های داخلی صیقلی ساخته شده‌اند و دریچه‌ها از شیرهای فولادی ضد زنگ از همان مواد ساخته شده‌اند.
لوله‌های سیستم هوای فشرده تنفسی (BA) از لوله‌های فولادی ضد زنگ OCr18Ni9 (304) با دیواره‌های داخلی صیقلی ساخته شده‌اند و دریچه‌ها از دریچه‌های توپی فولادی ضد زنگ از همان مواد ساخته شده‌اند.
لوله های سیستم خلاء فرآیند (PV) از لوله های UPVC و شیرها از شیرهای پروانه ای خلاء ساخته شده از همان مواد ساخته شده اند.
لوله های سیستم خلاء تمیز کننده (HV) از لوله های UPVC و شیرها از شیرهای پروانه ای خلاء ساخته شده از همان مواد ساخته شده اند.
لوله‌های سیستم گاز ویژه همگی از لوله‌های فولادی ضد زنگ کم کربن 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) با دیواره‌های داخلی الکتروپلی‌شده ساخته شده‌اند و دریچه‌ها از دریچه‌های دمنده فولادی ضد زنگ از همان مواد ساخته شده‌اند.

3 ساخت و نصب خطوط لوله
3.1 بخش 8.3 "آیین نامه طراحی ساختمان کارخانه تمیز" مقررات زیر را برای اتصالات خط لوله بیان می کند:
(1) اتصالات لوله باید جوش داده شود، اما لوله های فولادی گالوانیزه گرم باید رزوه شوند. مواد آب بندی اتصالات رزوه ای باید با الزامات ماده 8.3.3 این مشخصات مطابقت داشته باشد.
(2) لوله های فولادی ضد زنگ باید با جوش آرگون و جوش لب به لب یا جوش سوکتی به هم وصل شوند، اما خطوط لوله گاز با خلوص بالا باید با جوش لب به لب بدون علامت روی دیواره داخلی متصل شوند.
(3) اتصال بین خطوط لوله و تجهیزات باید با الزامات اتصال تجهیزات مطابقت داشته باشد. هنگام استفاده از اتصالات شیلنگ، باید از شیلنگ های فلزی استفاده شود.
(4) اتصال بین خطوط لوله و شیرها باید با مقررات زیر مطابقت داشته باشد

① مواد آب بندی که خطوط لوله و شیرهای گاز با خلوص بالا را به هم متصل می کند باید از واشر فلزی یا فرول های دوتایی مطابق با الزامات فرآیند تولید و ویژگی های گاز استفاده کند.
②مواد آب بندی در محل اتصال رزوه ای یا فلنجی باید پلی تترا فلوئورواتیلن باشد.
3.2 با توجه به الزامات مشخصات و اقدامات فنی مربوطه، اتصال خطوط لوله گاز با خلوص بالا باید تا حد امکان جوش داده شود. در حین جوشکاری باید از جوش لب به لب مستقیم اجتناب شود. باید از آستین های لوله یا اتصالات تمام شده استفاده شود. آستین های لوله باید از همان مواد و صافی سطح داخلی لوله ها ساخته شوند. سطح، در حین جوشکاری، برای جلوگیری از اکسید شدن قسمت جوشکاری، باید گاز محافظ خالص وارد لوله جوشکاری شود. برای لوله های فولادی ضد زنگ باید از جوش آرگون استفاده شود و گاز آرگون با همان خلوص وارد لوله شود. باید از اتصال رزوه ای یا اتصال رزوه ای استفاده شود. هنگام اتصال فلنج ها باید از فرول ها برای اتصالات رزوه ای استفاده شود. به جز لوله های اکسیژن و لوله های هیدروژنی که باید از واشر فلزی استفاده کنند، سایر لوله ها باید از واشر پلی تترا فلوئورواتیلن استفاده کنند. استفاده از مقدار کمی لاستیک سیلیکونی روی واشرها نیز موثر خواهد بود. افزایش اثر آب بندی اقدامات مشابهی باید در هنگام ایجاد اتصالات فلنج انجام شود.
قبل از شروع کار نصب، یک بازرسی بصری دقیق از لوله ها،اتصالات، شیرآلات و غیره باید انجام شود. دیواره داخلی لوله های فولادی ضد زنگ معمولی باید قبل از نصب ترشی شود. لوله‌ها، اتصالات، دریچه‌ها و غیره خطوط لوله اکسیژن باید اکیداً از روغن منع شده باشند و باید قبل از نصب بر اساس الزامات مربوطه چربی‌زدایی شوند.
قبل از نصب و بهره برداری از سیستم، سیستم خط لوله انتقال و توزیع باید به طور کامل با گاز با خلوص بالا تحویل داده شود. این کار نه تنها ذرات گرد و غباری را که به طور تصادفی در طول فرآیند نصب به سیستم ریخته اند را از بین می برد، بلکه نقش خشک کننده ای را در سیستم خط لوله ایفا می کند و بخشی از گاز حاوی رطوبت جذب شده توسط دیواره لوله و حتی مواد لوله را از بین می برد.

4. آزمایش فشار خط لوله و پذیرش
(1) پس از نصب سیستم، بازرسی 100٪ رادیوگرافی از لوله های انتقال مایعات بسیار سمی در خطوط لوله گاز ویژه باید انجام شود و کیفیت آنها نباید کمتر از سطح II باشد. سایر لوله ها باید تحت بازرسی رادیوگرافی نمونه برداری قرار گیرند و نسبت بازرسی نمونه نباید کمتر از 5 درصد باشد، کیفیت نباید کمتر از درجه III باشد.
(2) پس از گذراندن بازرسی غیر مخرب، آزمایش فشار باید انجام شود. برای اطمینان از خشکی و تمیزی سیستم لوله کشی، آزمایش فشار هیدرولیک نباید انجام شود، بلکه باید از تست فشار پنوماتیک استفاده شود. آزمایش فشار هوا باید با استفاده از نیتروژن یا هوای فشرده انجام شود که با سطح تمیزی اتاق تمیز مطابقت دارد. فشار آزمایش خط لوله باید 1.15 برابر فشار طراحی باشد و فشار آزمایش خط لوله خلاء باید 0.2MPa باشد. در طول آزمایش، فشار باید به تدریج و به آرامی افزایش یابد. هنگامی که فشار به 50 درصد فشار تست افزایش یافت، در صورتی که هیچ گونه ناهنجاری یا نشتی یافت نشد، به افزایش گام به گام فشار به میزان 10 درصد فشار آزمایش ادامه دهید و فشار را به مدت 3 دقیقه در هر سطح تا فشار آزمایش تثبیت کنید. . فشار را به مدت 10 دقیقه تثبیت کنید، سپس فشار را به فشار طراحی کاهش دهید. زمان توقف فشار باید با توجه به نیازهای تشخیص نشت تعیین شود. در صورت عدم وجود نشتی، عامل کف کننده واجد شرایط است.
(3) پس از اینکه سیستم خلاء تست فشار را گذراند، همچنین باید یک آزمایش درجه خلاء 24 ساعته مطابق با اسناد طراحی انجام دهد و میزان فشار نباید بیشتر از 5٪ باشد.
(4) تست نشتی. برای سیستم های خط لوله با گرید ppb و ppt با توجه به مشخصات مربوطه، هیچ نشتی نباید واجد شرایط در نظر گرفته شود، بلکه در حین طراحی از تست میزان نشتی استفاده می شود، یعنی تست میزان نشتی پس از تست سفتی هوا انجام می شود. فشار، فشار کاری است و فشار به مدت 24 ساعت متوقف می شود. میانگین نشت ساعتی کمتر یا برابر با 50ppm است. محاسبه نشتی به شرح زیر است:
A=(1-P2T1/P1T2)*100/T
در فرمول:
نشت یک ساعته (%)
P1- فشار مطلق در ابتدای آزمایش (Pa)
P2- فشار مطلق در پایان آزمایش (Pa)
T1 - دمای مطلق در ابتدای آزمایش (K)
دمای مطلق T2 در پایان آزمایش (K)