關(guān)于多晶硅生產(chǎn)設(shè)備腐蝕開裂問題的探討

段春林

（四川瑞能硅材料有限公司)

0 概述

目前，我國(guó)一些多晶硅企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備在生產(chǎn)運(yùn)行一年多以后就出現(xiàn)了很多的問題，很多塔、儲(chǔ)罐、換熱器等壓力容器和壓力管道在一些關(guān)鍵部位均出現(xiàn)不同程度的腐蝕開裂，其中很大一部分裂紋無法進(jìn)行簡(jiǎn)單的修復(fù)處理，造成設(shè)備的早期失效，必須更換新的設(shè)備。設(shè)備的使用壽命大大縮短，高昂的設(shè)備更換成本也是制約我國(guó)多晶硅企業(yè)生產(chǎn)成本高居不下的重要因素。

因此，需對(duì)目前多晶硅生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)的問題做進(jìn)一步的分析和探討，找到問題的根源，在設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和使用全過程進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)和控制，使多晶硅設(shè)備的正常使用壽命達(dá)到或超過設(shè)計(jì)壽命，這樣才能夠有效地降低多晶硅企業(yè)的設(shè)備成本，從而大幅降低多晶硅生產(chǎn)成本。

1 問題分析

1.1 裂紋定性分析

因條件所限，暫無法對(duì)設(shè)備的裂紋部位取樣進(jìn)行微觀金相分析，但可根據(jù)裂紋的一些特點(diǎn)進(jìn)行分析判斷。多晶硅設(shè)備上的裂紋具有如下一些特點(diǎn)：裂紋產(chǎn)生的時(shí)間通常都在開車運(yùn)行約1年以后，裂紋產(chǎn)生的部位通常在封頭上以及封頭與筒體焊縫周圍、筒體與接管焊縫周圍等易產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)力集中的部位，裂紋分布狀態(tài)為干枯的樹枝狀、疏松的網(wǎng)狀、龜裂分布狀以及裂紋與焊縫相垂直的橫向分布狀等。從裂紋的這些特點(diǎn)可以判斷：造成設(shè)備開裂、物料泄漏的裂紋應(yīng)為沿晶和穿晶的應(yīng)力腐蝕裂紋 (stress corrosion cracking，簡(jiǎn)稱SCC)。裂紋形貌如圖1所示。

圖1 裂紋宏觀形貌

SCC是容器、管道等設(shè)備在腐蝕介質(zhì)和拉伸應(yīng)力的共同作用下 （包括工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力）產(chǎn)生的一種延遲破壞的現(xiàn)象。由于應(yīng)力腐蝕裂紋是在設(shè)備服役過程中產(chǎn)生的，易造成各種失效事故，所以其所帶來的危害十分嚴(yán)重。

1.2 裂紋產(chǎn)生機(jī)理

SCC裂紋問題非常復(fù)雜，涉及到力學(xué)、電化學(xué)、金屬物理、焊接冶金等多學(xué)科，并需要一些高級(jí)的測(cè)試手段，因此，到目前為止，對(duì)SCC的機(jī)理還不是十分清楚。電化學(xué)應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理和機(jī)械破裂應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理是比較公認(rèn)的兩種觀點(diǎn)。

（1）電化學(xué)應(yīng)力腐蝕機(jī)理

在應(yīng)力作用下，陽極發(fā)生M+的溶解，金屬以離子狀態(tài)溶入介質(zhì)：

當(dāng)金屬表面與含有H+的介質(zhì)接觸時(shí)，電子e與H+就結(jié)合成氫原子H：

而氫原子向金屬中擴(kuò)散，就導(dǎo)致了金屬脆化。

（2）機(jī)械破裂應(yīng)力腐蝕機(jī)理

設(shè)備在應(yīng)力作用下 （包括殘余應(yīng)力、承載和冷作加工等）將會(huì)產(chǎn)生不同程度的塑性變形，當(dāng)塑性變形大到一定程度就會(huì)產(chǎn)生 “滑移臺(tái)階”。當(dāng)滑移臺(tái)階的高度大于氧化膜的厚度時(shí)，就會(huì)使氧化膜破裂，從而使金屬露于表面，在腐蝕介質(zhì)作用下，金屬就會(huì)被快速溶解，從而發(fā)生SCC。焊縫熱影響區(qū)（HAZ）的粗晶區(qū)對(duì)SCC最為敏感。

總之，在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下才能產(chǎn)生SCC。多晶硅生產(chǎn)過程中的HCl、氯硅烷等介質(zhì)均屬于腐蝕介質(zhì)，在應(yīng)力作用下 （包括設(shè)備焊接殘余應(yīng)力、承載應(yīng)力、開停車引起的應(yīng)力等）是比較容易使設(shè)備產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的。

2 解決問題的方法

通過分析SCC的產(chǎn)生機(jī)理我們知道，可以從消除應(yīng)力和提高材料耐蝕性能等方面著手來降低設(shè)備發(fā)生SCC裂紋的幾率，避免因SCC裂紋引起設(shè)備過早失效，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

2.1 消除內(nèi)應(yīng)力

應(yīng)力的產(chǎn)生大致有三個(gè)因素：

（1）設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理容易產(chǎn)生應(yīng)力集中等問題；設(shè)備在制造過程中還存在焊接或強(qiáng)力組裝而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

（2）設(shè)備上存在著內(nèi)部介質(zhì)作用產(chǎn)生的應(yīng)力。

（3）由于開、停車頻繁造成設(shè)備所承載的壓力、溫度等頻繁變化而產(chǎn)生的應(yīng)力。

設(shè)備的內(nèi)應(yīng)力是客觀存在的，也是無法徹底消除的，但可以從以下幾方面盡可能地消除大部分內(nèi)應(yīng)力：

（1）優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中等問題。

（2）嚴(yán)格做好設(shè)備制造過程的控制，避免采用強(qiáng)力組對(duì)，制定合理的焊接工藝規(guī)程，防止產(chǎn)生過大的焊接殘余應(yīng)力，焊后通過整體或局部熱處理消除焊接應(yīng)力。

（3）設(shè)備經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)行對(duì)設(shè)備自身造成的危害是非常大的，會(huì)顯著加快設(shè)備發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋的進(jìn)程，因此必須避免設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行，將設(shè)備介質(zhì)工作壓力控制在設(shè)備設(shè)計(jì)壓力范圍內(nèi)。

（4）避免設(shè)備運(yùn)行過程中頻繁的非正常開停車，減少正常開停車頻率。

2.2 提高設(shè)備耐蝕性能

可以從以下幾方面考慮提高設(shè)備耐蝕性能：

（1）設(shè)備設(shè)計(jì)選材時(shí)，需根據(jù)HCl、氯硅烷等介質(zhì)的腐蝕性質(zhì)，選擇能夠耐相應(yīng)介質(zhì)腐蝕的材料制造相關(guān)設(shè)備。

（2）對(duì)于設(shè)備制造過程中產(chǎn)生的劃痕、打弧時(shí)的燒痕、焊接時(shí)的飛濺和夾具、拉筋等留下的痕跡需徹底消除，否則將會(huì)降低材料耐蝕性能。

（3）合理選擇焊接材料，使焊縫的化學(xué)成分和組織盡可能與母材一致。

（4）嚴(yán)格控制焊接線能量，防止焊接熱影響區(qū)晶粒粗大。

（5）運(yùn)用表面工程新技術(shù)，對(duì)設(shè)備中與腐蝕介質(zhì)接觸的一側(cè)進(jìn)行表面處理。例如，可采用噴涂耐蝕金屬層、塑料涂層等方式提高材料耐蝕性能。

3 結(jié)束語

太陽能光伏行業(yè)作為一個(gè)新興綠色能源產(chǎn)業(yè)，前景非常光明。目前，作為光伏電池組件的主要原料多晶硅的生產(chǎn)成本還比較高，使得光伏發(fā)電與傳統(tǒng)的水電、火電相比優(yōu)勢(shì)還不十分明顯。多晶硅生產(chǎn)成本控制方面還有很長(zhǎng)的一段路要走，除了在生產(chǎn)工藝方面需要不斷改進(jìn)以外，還需研發(fā)制造出與新的生產(chǎn)工藝、工作環(huán)境和工況相適應(yīng)的技術(shù)裝備。

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