Введение

В системах газов высокой чистоты транспортировка газа от источника питания до точки использования (POU) с сохранением качества имеет критическое значение. Для достижения этого необходима хорошо спроектированная система подачи, правильный выбор труб и компонентов, надлежащий монтаж, а также тщательные испытания и валидация.

Газопроводы высокой чистоты должны выбираться с учётом технологических требований к чистоте газа, допустимым уровням примесей и содержанию частиц. Например, полупроводниковая промышленность требует чрезвычайно чистых производственных сред и процессов высокой точности. По мере развития технологий от микрометровых до субмикрометровых и глубокосубмикрометровых масштабов (<0,35 мкм) требования к уровню воды и примесей в технологических газах становятся чрезвычайно жесткими: они переходят от ppm до ppb или даже ppt, при этом размер частиц необходимо контролировать на уровне 0,05–0,1 мкм. Поэтому материалы трубопроводов уже сами по себе должны соответствовать требованиям транспортировки газов высокой и сверхвысокой чистоты.

Ключевые характеристики материала

Основные характеристики материала, влияющие на качество газа в высокочистых трубопроводах, включают:

  •   Газовая проницаемость

  •   Скорость выделения газов

  •   Адсорбционные свойства

  •   Шероховатость поверхности и износостойкость

  •   Устойчивость к коррозии  

Газопроницаемость

Газопроницаемость — это явление, при котором молекулы газа перемещаются из области высокого давления (или парциального давления) в область более низкого давления через материал. Компоненты воздуха, в первую очередь кислород и азот, имеют самые высокие парциальные давления, а их малый молекулярный размер делает их проницаемость важным фактором для рассмотрения.

Пороги проникновения кислорода у распространённых материалов (в ppm в воздухе) примерно следующие:

  •   Нержавеющая сталь: 0

  •   Медь: 0

  •   Полипропилен: 11

  •   ПТФЭ: 12

  •   Углеродистая сталь: 203

Инсайт: Для газов, требующих чистоты на уровне ppm и выше, необходимо использовать нержавеющую сталь или сталь. Использование неподходящих материалов свидетельствует о том, что любые применяемые впоследствии меры очистки окажутся бесполезными.

Скорость выделения газов

Материалы для трубопроводов содержат примеси, такие как азот или углеводороды, застрявшие внутри межкристаллитных или решеточных структур в результате процесса плавки. Эти примеси могут медленно выделяться при транспортировке газа высокой чистоты, что особенно критично для газов уровня ppb. Низкоуглеродистая нержавеющая сталь обладает чрезвычайно низкими скоростями выделения газов, что делает её идеальной для применений с высокой степенью очистки.

Сорбционные свойства

Полярные молекулы, такие как вода, сильно адсорбируются материалами. Резина, пластмассы и материалы с шероховатой поверхностью легко адсорбируют воду и другие примеси, загрязняя газ высокой чистоты. Медь обладает особенно сильной адсорбцией воды. Поэтому, за исключением некоторых применений, связанных с кислородом на уровне частей на миллион, медные и пластиковые трубы не используются в системах высокой чистоты. Эластомерные или пластиковые прокладки и уплотнения, включая ПТФЭ, также запрещены в сверхчистых трубопроводах.

Шероховатость поверхности и износостойкость

Гладкие, износостойкие внутренние поверхности предотвращают накопление частиц и удержание влаги. Нержавеющая сталь выделяет меньше частиц, чем медь, и лучше переносит высокоскоростный поток газа.

Устойчивость к коррозии

В производстве полупроводников коррозионные газы встречаются часто. Трубопроводы должны быть устойчивыми к коррозии, чтобы предотвратить ржавление или проколы, которые могли бы загрязнить газ и создать опасности для безопасности.

Обработка поверхности

Для дальнейшего улучшения свойств трубопровода внутренние поверхности могут быть обработаны следующим образом:

  •   Кислотное травление и пассивация (КТП)

  •   Яркое отжигание (ЯО)

  •   Электрополировка (ЭП)

Обработка поверхности уменьшает шероховатость, снижает выделение газов и минимизирует адсорбцию.

Рекомендуемые материалы и соединения для трубопроводов

Клапаны и соединения

Выбор клапана зависит от чистоты, токсичности и воспламеняемости газа:

  •   Шаровые клапаны: нержавеющая сталь 304, подходящая для чистоты ≤99,999%, с прокладками из мягкого металла или ПТФЭ.

  •   Мембранные клапаны и сильфонные клапаны: необходимы для газов, концентрация которых ≤10 ppm, легковоспламеняющихся или высокотоксичных. Мембранные клапаны обеспечивают минимальное мертвое пространство, облегчают продувку и снижают уровень загрязнения.

  •   Методы соединения: компрессионные фитинги VCR с прокладками из мягкого металла для систем ≤1 ppm.

Заключение:

Обеспечение высокой чистоты газа требует внимания к материалу трубопроводов, выбору клапанов, методу соединения и внутренней обработке поверхности. Только при комплексном учете всех этих факторов можно надежно доставлять газ от источника до точки использования (POU).  
Следовательно, материалы для трубопроводов должны изначально отвечать требованиям транспортировки газов высокой и сверхвысокой чистоты.