多晶硅行业压力容器探讨

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摘 要 压力容器是多晶硅行业中的重要设备。在多晶硅行业市场竞争日益激烈的新形势下，要求压力容器能长期稳定运行而不发生任何安全事故及不影响整个系统开车，针对于不同介质的压力容器对其设计选材、壁厚、焊接等有不同的要求。本文简单介绍了压力容器的命名、构成及分类，并在此基础上重点介绍硅行业中压力容器。

关键词 多晶硅行业；压力容器

中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）041-158-02

目前国内多晶硅厂家多数采用改良西门子法生产多晶硅原材料，其工艺介质主要有氯硅烷、四氯化硅、三氯氢硅、氯化氢等，此工艺介质易燃、易爆、有毒及有腐蚀性。多晶硅行业压力容器大多用来储运、换热、反应及分离这些工艺介质。则对压力容器相应的有了更高的要求。

1 压力容器的命名、构成及分类

1.1 压力容器的命名及构成

通常，当容器所承受的内压力大于1公斤（0.1 Mpa）时，称为压力容器，当内压力小于1公斤时为常压容器，如果内压小于0时，那就称为外压容器，多晶硅行业中外压容器比较少见，可能存在内筒内压及外筒外压的情况。

压力容器有两种常见的结构：球形容器和圆筒形容器。另外还有两种不常见的结构：箱形容器及锥形容器，这两种容器在工程上较少使用。球形压力容器的本体是一个球壳，通常都是采用焊接结构，球形容器一般直径都比较大，难以整体成型，大多有许多块预先按一定尺寸压制成球面板焊接而成。而对于筒形容器，其本体由筒体（又称壳体）及封头（又称端盖）两部分组成。而筒形压力容器封头又有几种形式：球形封头、椭圆形封头、蝶形封头、球冠形封头、锥形封头和瓶盖封头等，压力容器的附件包括：支座、法兰、接管、人孔、手孔、密封元件和安全附件等。多晶硅行业常用典型的压力容器设备有换热器、反应炉、储罐等，多数都是采用球形及筒形容器。

1.2 压力容器的分类

压力容器的分类方法较多，在国内，压力容器分类方法综合考虑了其设计压力、几何容积、材料强度、应用场合和介质危害程度等影响因素。通常可按设计压力大小、生产过程中的作用及安全技术管理要求对压力容器分类。如按设计压力大小分类可分为低压、中压、高压及超高压压力容器，在多晶硅行业中，压力容器主要以低压容器为主，少数中压容器，无高压及超高压容器。 压力容器在生产中主要用于介质的反应、换热、分离、储存等功效，如按其作用分类，可分为反应、换热、分离、及储存压力容器。再者按安全技术管理要求分类，可分为第一类、第二类及第三类压力容器。在多晶硅厂生产中，上述三类压力容器都存在，设计及制造过程中需特别重视，应由具备相对应资质的厂家生产制造。

2 压力容器的选材

2.1 压力容器用钢种类

压力容器用钢主要有以下三种钢材类型：

2.1.1 碳钢

主要指碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金。有时也称为普碳钢或碳素钢，碳钢除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷等元素，多晶硅中常用的碳钢有普通碳素结构钢Q235/Q345系列和优质碳素结构钢20R。一般碳钢中含碳量较高则硬度越大，强度也越高，但塑性较低。多晶硅行业中一般用于非工艺介质的容器。

2.1.2 低合金钢

主要是指合金元素总量小于3.5%的合金钢。低合金钢是相对于碳钢而言的，是在碳钢的基础上，为了改善钢的一种或几种性能，而有意向钢中加入一种或几种合金元素.加入的合金量超过碳钢正常生产方法所具有的一般含量时，称这种钢为合金钢。当合金总量低于3.5%时称为低合金钢。合金含量在3.5-10%之间称为中合金钢；大于10%的称为高合金钢。

2.1.3 高合金钢

主要是指合金元素总量大于10%的合金钢。压力容器用高合金钢仅限于低碳和超低碳型，应用的主要目的是为了耐高温及耐腐蚀，多晶硅行业中高合金钢主要有铁素体不锈钢0Cr13，奥氏体不锈钢0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti和00Cr19Ni10等。

2.2 压力容器的选材

在多晶硅行业中，根据不同的介质要求压力容器的选材设计要求有足够的强度、刚度、使用寿命及与介质的相容性来满足不同的工况。需综合考虑材料的化学成分、力学性能以及工艺性能，同时还应考虑到材料的焊接性能、经济性及操作特点等，要符合有关设计与材料标准的规定。

材料的价格在压力容器的成本中占较大比例，选材时应给予充分考虑。相同规格的材料价格为：不锈钢价格>低合金价格>碳钢价格，需要较厚的不锈钢时，尽量采用复合材料衬里、堆焊或多层结构。

对于多晶硅中普通介质的低压容器，可选择Q235、Q345及20R等材料，对于直径较大的低压容器和中压容器，可选择低合金钢，例如16MnR，对于直径较大的中压容器和高压容器，宜选用低合金高强钢，如00Cr17Ni14Mo2，当腐蚀性较强时，应选用高合金不锈钢。奥氏体不锈钢0Cr18Ni9在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中有较好的耐腐蚀性，但长期在水及蒸汽中工作时，有晶间腐蚀倾向，并且在氧化物溶液中易发生应力腐蚀开裂。0Cr18Ni10Ti具有较高的抗腐蚀能力，可在-196℃-600℃范围内长期使用，00Cr19Ni10为低碳不锈钢，具有更好的耐腐蚀能力。奥氏体—铁素体双相不锈钢00Cr18Ni5Mo3Si2j具有良好的耐应力腐蚀和小孔腐蚀性，在多晶硅行业中可用于含氯离子的设备制作。但制作成本就会较高。对于多晶硅氯硅烷球罐，根据不同的设计压力、不同介质的含量及钢材成本可选用低合金钢或高合金不锈钢。对于多晶硅TCS球罐，根据多晶硅工艺条件、设计压力及钢材可选用低合金高强钢。对于多晶硅行业涉及到工艺介质的换热器，可以根据壳程及管程介质、设计压力、设计温度及成本综合考虑，选择不同的钢材。普通介质换热器通常对设备选材要求不高，可根据设计压力、温度及介质综合考虑选择。

3 结束语

鉴于压力容器在多晶硅行业安全问题的重要性，企业压力容器设计应符合国家制定的压力容器规范，根据其设计压力、设计温度、介质、工况环境、制作成本综合考虑压力容器的设计。对选材方面不应片面追求采用高强度钢材，要综合考虑材料的强度与塑性、韧性等综合性能、强度与可焊性的综合性能。材料设计的合理性，为压力容器中设计中非常重要的环节，为企业长期安全运行的基本保障。

参考文献

[1]国家技术监督局.中华人民共和国国家标准[M].压力容器GB150.2011-11-21.

[2]压力容器安全技术监察规程[M].质监局发（1999）154号文.

[3]，喻健良，李志义.过程机械[M].中国石化出版社，2002.

作者简介

李江林（1985-），男，汉族，2008年毕业于成都理工大学机械设计专业，现就职于昆明冶研新材料股份有限公司。

何松（1983-），男，汉族，2008年毕业于武汉工程大学机械设计制造及其自动化专业，现供职于昆明冶研新材料股份有限公司，职称：助理工程师，学位：学士学位，研究方向：清洁能源。