（上鼎工程建设（上海）有限公司 上海 200062）
【摘 要】本文借鉴国内外有关规范标准，探讨半导体产业类工厂常见之制程排气系统之特殊性及其消防应对措施配置。
【关键词】制程排气系统；风管；洗涤塔；化学腐蚀
【中图分类号】TU892 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）08-0216-03
前言
自国家“十三五”规划中将集成电路产业体系纳入了战略性新兴产业范围之内，智能硬件、新型显示被列为新一代新兴技术产业创新的内容，近期以来，国内半导体、光电产业上下游的各类项目纷纷涌现。在这类项目生产厂房的众多生产辅助系统中，制程排气系统是其中常见的一种系统，其功能是将生产机台正常运转时所产生的各种废气，经风管排至废气处理装置，经处理达标后再排放大气；该系统与产品的正常和安全生产密切相关；然而在半导体、光电产业界，有不少的火灾事故案例即源自这一系统，给企业的安全生产带来了不可忽视的事故隐患和风险。为此，拟以此文探讨制程排气系统之安全防范及消防设置。
1.制程排气系统之分类及危害性
半导体和光电产业的生产制程过程，因使用到许多种类的化学品、特殊气体，例如:硅烷(SiH4)、三氟化氮（NF3）、磷化氢（PH3）、砷化氢（AsH3）、异丙醇(IPA)、丙酮、硝酸（HNO3）、硫酸(H2SO4)、盐酸(HCl)、氢氟酸（HF）、光阻剂、显影剂等，其中相当多具有腐蚀性、自燃性、易燃易爆性、毒性等特点；在制程排气系统的实际分类规划中，通常根据机台所产生废气中所含化学物质或易燃易爆危险物质的种类，并综合考虑排气管道耐受各类废气的腐蚀性能、避免各类废气中不相容化学物质发生化学反应等因素之后，将其大体分为四类，即：酸排气系统（Acid Exhaust）、碱排气系统（Alkaline Exhaust）、有机排气系统（Solvent Exhaust,也称VOC排气）、一般排气系统（General Exhaust）。
上述四类制程排气系统，在排气风管的型式和材质选择时需要根据所排废气的腐蚀和危害特性，综合评估选择适合之产品。诸如：酸、碱排气系统多采用FRP玻璃钢风管、PP风管或304/316L不锈钢全焊内衬特氟龙风管；有机排气系统则常采用304/316L不锈钢全焊风管；一般排气系统多采用镀锌螺旋风管或不锈钢风管。其中PP风管、FRP玻璃钢风管因材质可燃、防火性能较差，火灾风险较高；金属材质风管在防火性能方面虽较好，但基于排气腐蚀性强影响使用寿命、初期建置成本等因素考量，仍有不得不选用PP和FRP材质风管的情况存在。近年来不时会有此类火灾发生的报道，对企业的正常生产运行和形象都造成了不利的影响，所以对于该类系统如何合理设置消防措施，最大程度的防控制程排气系统的火灾隐患是企业和设计、施工各方不可忽视的问题，也是本文接下来探讨的意义所在。
2.结合国内外规范标准的探讨
对于上述提及的制程排气系统的消防措施，笔者查阅比对了目前国内有关规范、标准以及地方性相关规程资料，除了在《电子工业洁净厂房设计规范》GB500472-2008和《洁净厂房设计规范》GB50073-2013中对于制程排风系统提出了风管负压设计、不同性质排气系统独立设置、备用风机和处理装置、配备应急电源、设置消除静电的接地装置等原则要求之外，尚未有针对制程排气系统制订更为细致量化的消防灭火相关规定和要求；为此，参考国外FM和NFPA的相关标准和规定，整理有关内容以为借鉴。
在FM制订的Data Sheets 7-78 INDUSTRIAL EXHAUST STSTEMS 中，对于制程排气系统风管及废气处理装置给出了较为清晰的消防规划指导和设置要求。
3.风管防护
该标准界定了需要设置风管内喷淋的制程排气风管尺寸、风管材质和工况情况。对于直径大于10英寸（254mm）或者风管断面积大于80平方英寸（516cm2）的风管，若风管材质为可燃或排放废气中含有可燃物有可能引发火灾的情况，均需考虑设置风管内喷淋。而在NFPA318、NFPA 91中有关条文也规定了设置风管内喷淋的风管断面积不小于75平方英寸（480cm2），这三份标准给出的参照数据基本一致。
3.1 排气风管外的喷头设置
制程排气风管经过区域未设置喷淋系统时，在风管外沿风管中心线以12英尺（3.7m）水平间距设置喷头；喷头动作温度165F°(74C°)，每个喷头的出水量按20gpm(75L/min)计算；如该区域有布置喷淋系统，则无需再特别针对排气风管单独增加布置喷头；风管宽度较宽时，需考虑在风管下方补设喷头，这一点与目前我国GB喷规的要求相同，其目的也是避免风管下方存在保护盲区。
3.2 排气风管内喷头设置
水平风管段喷头中心距不超过12 ft (3.7m)；垂直风管段内喷头中心距按24英尺（7.4m）设置，且应从垂直风管段的顶部开始向下开始布设；在NFPA318中，规定水平风管内喷头设置最大间距20ft(6.1m),垂直风管中喷头设置间距则限定为12ft(3.7m)，二者稍有差异。
喷头型式采用下垂型，动作温度至少高于风管内环境温度50F°（27C°）；保护作用面积是以风管投影面积（风管直线段长度不超过100ft,约30m）为基准，保护面积内每个喷头的出水量仍按20gpm（75L/min）计算。而在NFPA318中只是要求按最不利点的5只喷头动作考虑，相比之下，FM标准更保守安全一些。
此外，FM这份标准还给出了以喷水强度标准设置风管内喷头的规定：在可燃材质水平段风管内，当喷水强度在上述的保护面积内达到0.5gpm/ft2(20mm/min)或者更高时，喷头间距最大可以按20 ft (6.1m)设置。这与NFPA318的规定又有了一致，但重要的是定义出了采用的前提条件。
对于超宽风管和分支分管衔接处，要求在风管直径或宽度超过12ft(3.7m)的情况下，风管内喷头设置成2排，水平间距同上述要求，圆形风管内喷头位置设置在2点钟、10点钟方位；排风支管在接入主干风管前3ft(0.9m)范围内需设置1只喷头，若支管尺寸无法满足安装要求，则可将此喷头设置在主干管内接入点的位置处。
当有多个排气系统时，不同系统的风管内喷头供水控制阀需独立设置，必要时设置水流警报装置；如有冻结风险，可采用干式系统，但需保证自感温侦测器动作至保护面积内所有喷头出水不超过1分钟时间；我国喷规第8.0.9条对于干式系统的充水时间规定也是不宜大于1分钟。供水管与风管伴随设置，但管道支吊架需各自独立设置，避免因火灾时风管垮塌影响喷头供水的可靠性和安全性。
针对具有强腐蚀性的制程排气系统风管，FM的标准给出了不同宽度尺寸风管，其内设喷头的流量及其感温侦测装置的设置建议如下：
（1）风管宽度/直径≤4ft (1.2m),单一喷头流量20gpm (75L/min)；
（2）风管宽度/直径4ft (1.2m)~8ft (2.4m),喷头流量30gpm (110L/min)；
（3）风管宽度/直径8ft (2.4m)~16ft (4.8m),喷头流量20gpm (75L/min)；
注：上述3）情况的风管依FM要求需设置双排喷头。
此外，对于设雨淋阀和开式喷头的模式，则需选用耐腐蚀的线性感温电缆装设在风管内，控制雨淋阀开启，设置间距同喷头间距，设置位置距喷头水平距离不超过3ft (1.0m)（详见图1）。但标准对于开启雨淋阀需要几处感温电缆报警讯号并未明确，结合GB雨淋系统的控制方式，笔者建议以2个讯号为雨淋阀启动条件，避免误报造成不必要之影响和损失。
图1
鉴于制程排气系统风管内大多都是腐蚀性环境，对于设置在风管内的喷头的耐腐蚀性能则成为设计者选用的重要考虑因素。在FM的标准中也推荐了4种形式的喷头防腐模式：
（1）蜡封/铅封/蜡铅复合封型喷头，适合风管内温度不超过150F°（66C°）的场合；
（2）采用双层聚乙烯塑料袋（单层厚度不超过0.1mm）包覆，安装方式参考图2；为避免喷头溅水板磨损塑料袋，可使用聚四氟乙烯带（生料带）包缠溅水板。此方式适合风管内温度不超过150F°（66C°）的场合，在实际案例中最为常见。
（3）涂塑型喷头，多采用环氧树脂、聚四氟乙烯树脂（特氟龙）涂覆，其中环氧树脂能耐大多数的碱性腐蚀和其他化学物质，且对金属表面的附着力较强；但不耐酮类、芳烃类、氯化烃类腐蚀，而特氟龙仅对氟类和钠溶液耐腐蚀性能较差，优于环氧树脂；此类涂层厚度须不小于0.13mm。适用于环境温度不超过250F°（121C°）的场合。如采用开式喷头，则需配吹脱罩避免腐蚀性气体进入供水管或者配水管采用耐腐蚀处理。
（4）特殊金属合金耐腐蚀喷头：镉镍合金、铜镍合金、哈氏合金等金属合金制喷头，具体采用需参考制造商的建议使用环境条件。
注意控制雨淋阀的风管内感温元件也要采用耐腐蚀的金属合金材料，如哈氏合金，不锈钢，铬镍合金等。
图2
以上所述4种型式，对于某些高浓度腐蚀性排气系统可能仍无法完全满足其耐腐蚀持久性需求，故也期待未来市场有性能更为优异的产品推出。
4.废气处理洗涤塔（Scrubber）防护
在各种制程排气系统的废气处理装置中（诸如：酸、碱洗涤塔，沸石浓缩转轮系统，RTO蓄热式焚烧系统,活性碳吸附塔），最为常见和火灾风险较高的就是洗涤塔设备,因其制作材质要满足耐酸碱腐蚀的要求，多采用FRP、PP可燃材质 。因此对洗涤塔设置适当的消防防护措施，也是非常必要的。
设置于室外由可燃材料制作的洗涤塔，可采用闭式系统在塔内设置，原则上喷头设置在塔内填料上方，排气烟囱（stack）下方，靠近塔体的进出风口位置；若有多层填料床，可考虑在中间层设置喷头保护；单个喷头最小设计流量按25gpm(95L/min)计算。另外也可采用开式喷头（水雾喷头）、雨淋阀和感温侦测装置的系统保护模式，当采用开式喷头或水雾喷头保护时，FM 7-78的设置要求如下：
（1）喷头的喷水要保护洗涤塔全部外表面；
（2）雨淋阀传动管感应喷头应采用快速响应型喷头，且距洗涤塔外表面不超过6in.(150mm)；
（3）1/2in.(13mm)口径喷头的工作压力为20psi(1.4bar);若口径更小则工作压力为30psi(2.1bar)。
在FM 7-7/17-12 Semiconductor Fabrication Facilities这份标准中还附加对洗涤塔附属设备中的电机、水泵和风机的轴承、伴热装置等也提出了设置喷淋保护的要求，单个喷头最小设计流量25gpm(95L/min)。
设置于室内已设置喷淋区域的洗涤塔，则不必在洗涤塔内再设置喷淋防护。
5.其它防护措施
5.1 风管排水设置
为避免风管内喷头出水在风管内积聚，造成可能的风管垮塌、返溢回流对生产机台造成损害，FM和NFPA都提出了设置风管低点排水的要求。FM给出了低点排水的速查表（表1），排水管径采用4in.(100mm)较多,这与前面所提到的风管保护面积内动作喷头数量对应的出水量是相匹配的。
5.2 防火阀设置的禁忌
出于对防火阀异常瞬间关闭可能产生排气风管出现瞬时极端负压真空，而导致风管被吸瘪损毁，发生泄漏伤害事故的担忧，NFPA318明确限定在排气风管内不得设置防火阀；但这对于防止火灾沿风管内蔓延是非常不利的，所以在这种情况下，风管内设置喷淋系统就更尤为重要了。只是对于这条规定，与目前被广泛接受的风管防火的观念有些相悖；笔者也遇到过某企业因制程排气风管失火后自行做消防整改，在所有制程排气风管穿楼板、管井处增设防火阀的案例；但是否有效，仍有待实践检验。
6.结论
当然，要保证制程排气系统的安全运行，并非单只依靠设置喷淋系统就可以高枕无忧了；从前期规划时即要充分准确收集排气中所含腐蚀性物质的组成，从而选择适合的风管、处理设备、消防器材，此外从排气风管保温和室内环境温度的设定等细节着手，防止风管内产生冷凝腐蚀液加剧腐蚀损害，施工中严格遵守安装标准，风管定期保养清洁和检查，可靠接地消除静电，这些都是系统运行重要的安全保证。
参考文献
[1]《电子工业洁净厂房设计规范》GB 50472-2008.
[2]《洁净厂房设计规范》GB50073-2013.
[3]《自动喷水灭火系统设计规范》GB50084-2001（2005年版）.
[4] FM Global Property Loss Prevention Data Sheets 7-78, Industrial Exhaust Systems.
[5] FM Global Property Loss Prevention Data Sheets 7-7/17-12 , Semiconductor Fabrication Facilities.
[6] FM Global Property Loss Prevention Data Sheets 1-56, Cleanrooms.
[7] NFPA 318 Standard for the Protection of Semiconductor Fabrication Facilities 2012 Edition.
[8] NFPA 91Standard for Exhaust Systems for Air Conveying of Vapors,gases,Mists,and Noncombustible Particulate Solids 2010 Edition.
论文作者:柴强
论文发表刊物:《建筑知识》2017年8期
论文发表时间:2017/6/21
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