09.03.2021

Требования к газораспределительным системам при производстве современной оптоволоконной продукции

Современное оптоволоконное производство предъявляет высокие требования к системам инженерного обеспечения изготовления оптоволокна. В первую очередь это относится к газовым системам, обеспечивающим подачу химических реагентов в технологическое оборудование, и к чистоте производственных помещений (класс чистоты 1000-100).
В работе представлен концептуальный подход к решению задачи создания современных систем подачи ОСЧ газов и химических реагентов.
К газораспределительным системам относится комплекс оборудования, включающий в себя газогенераторы, газовые баллоны, устройства подачи газов и жидких реагентов, трубопроводы, осушители, фильтры, запорная и регулирующая арматура.


  Производство оптоволокна можно условно разделить на этапы:
1. Производство опорных труб (для MCVD процессов) и стержней (для OVD процессов).
2. Производство заготовок.
3. Вытягивание оптоволокна и нанесение защитногопокрытия.
Наиболее критичными, с точки зрения качества изготавливаемого волокна, являются процессы получения заготовок (оптических сердечников). Это MCVD и OVD процессы, которые включают в себя операции по нанесению светоотражающих и светопроводящих слоев. Оптические параметры кварцевых световодов определяются уровнем чистоты химических реагентов и технологических газов.
Требования к чистоте химических реагентов:
РОСl₃ - хлорокись фосфора - 99,9999%
SiCl₄ - тетрахлорид кремния - 99,9999%
GeCl₄ - тетрахлорид германия - 99,9999%
BBr₃ - тетрабромид бора - 99,9999%
Массовый процент содержания таких примесей, как Fe, Cu, Ni, Cr, Со, Na, Mn, не должен превышать 1·10^-7.

Требования к чистоте технологических газов

Газ	Хим. формула	Содержание основного вещества	Примеси
			Вода(Н2О) ppm	Водород и все  гидрокарбонаты, ppm	Азот, ppm	Кислород, ppm	Другие, ppm
Кислород	O2	99,999	< 0,1	< 0,1	< 5
Гелий	Не	99,99	< 0,1	< 0,1	< 20
Фреон	С2F2	99,99	< 0,2	< 10
Фреон	C2Cl2F2	99,99	< 0,2	< 10
Гексафторид серы	SF6	99,995	< 0,2	< 10	< 40
Хлор	Cl2	99,99	< 0,2	< 10		< 10
Трихлорид бора	ВСlз	99,999	< 0,2			< 1	НСl - <0,1 СН4- < 0,5
Азот	N2	99,99	< 5			< 3
Аргон	Ar	99,995	< 1		< 50	< 1

К основным источникам загрязнений следует отнести следующие:

- загрязнения внутренней поверхности трубопроводов и арматуры;

- загрязнения из сварных швов;

-   загрязнения вследствие выработки и деградации движущихся частей регулирующих элементов;

-    загрязнения в результате нарушения регламентов по профилактике и замене элементов, в частности, фильтров;

-    загрязнения вследствие несоблюдения мер защиты трубопроводов при смене баллонов и ремонтных работах.

Трубопроводы для подачи реагентов в установки MCVD должны изготавливаться из коррозионностойкой стали марки 316L с внутренней электрополированной поверхностью с шероховатостью Ra<0,2. Основным источником загрязнений из трубопроводов является влага из воздуха, занесенная при монтаже. Установлено, что при содержании влаги более 1ppm газовая система начинает выделять при работе с хлористым водородом более 10шт/фут³ микрочастиц после 2,3 лет эксплуатации [1].

Сварка технологических трубопроводов должна проводиться только на установках орбитальной сварки с внутренней и внешней защитой сварного шва в среде особочистого аргона. Все подготовительные операции: отрезка труб, торцевание, обезжиривание - должны вестись на специализированном оборудовании при строгом выполнении технологических инструкций.

Соединительная арматура, элементы системы газораспределения поставляются на сборку в двойной полиэтиленовой герметичной упаковке. Наружная упаковка вскрывается в «серой» зоне, а внутренняя непосредственно перед встраиванием в трубопровод. Разъемные соединения осуществляются разъемами типа VCR (через никелевое уплотнительное кольцо).

Особенно внимательно следует подойти к выбору материала запорных элементов в кранах, вентилях и регуляторах расхода и давления. Так для BBr₃ - это PFА, для SiCl₄ ,GeCl₄ - PFА или  PTFE. Плохая совместимость уплотнительного материала с агрессивной средой ведет к его быстрой деградации. Регуляторы расхода газа (РРГ) являются наиболее прецизионным и ответственным элементом, непосредственно влияющим на качество изготовления оптоволокна [2]. Одним из способов защиты РРГ в традиционных газовых системах является установка перед РРГ фильтра тонкой очистки.

Качество системы газораспределения оценивается чистотой подводимого от источника до оборудования газа, количеством микрочастиц, вносимых в процессе транспортировки газа, и уровнем утечек.

Сверхчистой считают такую газовую систему, в которой концентрация атмосферных микропримесей в газе в точке поступления составляет< 0,2 ррb, а в точке использования< 1 ppb [3]. Уровень утечек не должен превышать 1,3·10^-9 Па·м³/с.

К основным требованиям к системам газоснабжения оптоволоконных производств относятся следующие: .

1.    Минимизация «мертвых» участков в трубопроводах, продувка которых затруднена;

2.    Правильный выбор трубопроводной арматуры и элементов с учетом их коррозионной стойкости и минимальной привносимой дефектности;

3.    Проведение сборки и монтажа в чистых помещениях, в спецодежде, с применением специальных инструментов и приспособлений;

4.    Расчет    газораспределительной системы исходя из чистоты исходных реагентов с последующей установкой в системе очистителей, осушителей и фильтров тонкой очистки;

5.    Продувка газораспределительной системы после монтажа нагретым ОСЧ азотом;

6.    Аттестация газовой системы по следующим параметрам:

- Герметичность.Проверка производится с помощью течеискателя путем откачки системы и обдувки гелием мест сварки и . соединений элементов с последующей подачей в систему гелия под избыточным давлением и контролем этих зон щупом.

-   Опрессовка системы. Осуществляется путем подачи в систему ОСЧ азота под давлением, в 1,4 раза превышающим номинальное. Падение давления за 48 часов не должно превышать 2,5%.

- Дефектность сварки. Контроль качества сварных швов осуществляется рентгеновским или ультразвуковым дефектоскопом.

- Количество микрочастиц на входе в оборудование. Определяется счетчиком частиц.

7. Наличие технической  документации  по эксплуатации  и обслуживанию газораспределительной системы.

Литература

1.       Н Wang, G. Doddi, S. Chesters. // Journal of the IES. 1994. July/August.- Р. 28-31

2.     Сажнев С.В., Миркурбанов ХА., Тимофеев В.Н Прецизионный термоконвективный регулятор расхода газа для технологического оборудования» // Оборонный комплекс - научно-техническому

·прогрессу России. - М: ФГУП ВИМИ. 2003. № 2. - С 25-27.

3.       Гладких П.А. Правильный выбор конструкционных материалов - первый шаг к созданию сверхчистой газораспределительной системы.//Чистые помещения и технологические среды.  - М: 2004. №2.- С 20-28.