大量EPI製程氫氣洩漏爆炸後果模擬分析

前言

本研究以FAB建物內EPI機台相關設施為範圍，評估大量使用H₂風險。EPI機台相關設施除EPI機台外，包含H₂氣體閥箱（VMB）、機台氣體純化箱（Local gas purifier）、真空幫浦（Vacuum pump）、機台尾氣處理設備（Local Scrubber）、中央洗滌塔（Central Scrubber），以及連接的排氣支管（Sub-Main）、排氣主管（Main）等排氣系統。氫氣使用量及機台數量以滿載43台為基準。

EPI機台相關設施風險研究包含機台排氣量與Hookup設計、機台安全連鎖、電氣防爆、機台及相關設施火災爆炸可能原因、機台及相關設施箱體爆炸後果及氣體感知器有效性等。

因篇幅限制因素，本文僅針對機台及相關設施氫氣洩漏引發爆炸進行分析及說明。

文獻回顧

EPI反應腔高溫且使用大量氫氣，因為超過氫氣自燃溫度及最小引火能量，萬一發生洩漏可能造成火災或爆炸的後果。國內某A公司EPI機台發生多起事故，調查結果顯示可能原因包含：閥件洩漏，真空腔體吸入外界空氣進入約1000℃腔體，高溫氫氣爆炸；維修保養時引起火災；風管沉積物引爆氫氣聚集；機台尾氣處理設備內沒有使用防爆電氣(該公司使用濕式機台尾氣處理設備)。國內某B公司EPI機台腔體爆炸，研判委外清潔殘留污染物，高溫氫氣遇到雜質時會發生爆炸；某C公司因氫氣聚集在排氣管閘門及三通管造成爆炸，爆炸威力將屋頂水洗塔炸毀；某D公司連續二個月氫氣聚集在機台尾氣處理設備前三通管導致爆炸，整台機台尾氣處理設備爆炸後位移；最嚴重案例為國內某E公司發生操作錯誤，大量氫氣洩漏全廠燒毀，工廠也因此停止營業。

國內其他零星事故約80餘起，大致可以區分人為因素引起事故（包括未遵守維修保養手冊規定、充排氣不夠）；元件問題引起事故（包括反應器的紅外線燈管短路、冷卻水管破裂導致的過壓、氣體流量控制器內漏或球閥磨擦）。

氫氣火災爆炸研究並不多，參考易逸波^[2,3]研究結果，氣體房內設備洩漏爆炸至少有十公尺危險範圍。

由於國內高科技廠已經邁入大量氫氣使用時代，安全衛生技術中心於2009年提出特殊大流量氣體安全參考規範和緊急應變程序^[4]，但安全規範偏重於供應端安全及應變，欠缺廠房內使用大量氫氣安全防護規範。

由上述論文回顧可以瞭解，目前尚沒有針對大量EPI製程使用氫氣風險進行分析研究，因此在公司規劃大量EPI製程之初，先行研究鑑認使用大量氫氣所衍生火災爆炸風險，評估及提升防護措施，以建立公司設計與運轉安全規範。

計畫方法

設定氫氣爆炸過壓臨界值

氫氣是一種無色、無味的氣體，它在空氣中燃燒界限在4-75 %之間。有關氫氣過壓力對人體與結構物之影響，如 表一所示。

本研究中安全間距定義為氫氣爆炸過壓壓力達1psig（0.07 barg）範圍，由 表一可知在此過壓範圍內設備與人員都會受到明顯傷害。

氫氣之洩漏擴散、爆炸模擬

模擬軟體說明

對氫氣洩漏之爆炸後果分析，使用挪威Christian Michelsen Research AS (CMR)所發展的爆炸模擬軟體－FLACS（Flame Acceleration Simulator）^[5]進行爆炸後果模擬與評估。

FLACS的發展從1980年開始，發展的源起是針對北海Piper Alpha鑽油平台之類外海油井爆炸造成的危害進行分析。1980至1986年間，開始一連串蒸氣雲爆炸模擬之程式碼的開發，且已經過許多實場測試的驗證，包括北海Piper Alpha鑽油平台事故及美國波音747爆炸事故等重大災害之調查。

爆炸模擬情景及參數

本研究先進行定性及定量風險分析，依據風險鑑別結果選定氣體閥箱、機台氣體純化箱、EPI 機台氣體主閥箱、EPI SiCoNi 氣體閥箱及排氣管等四項爆炸情景如 表二所示。

模擬前必須建立虛擬潔淨區域，輸入參數包含現場空間（透空地板或實心地板、天花板加盲板、潔淨室高度），設備參數（設備三維尺寸、材質及離地高度），及排氣參數（管徑及排氣量），最後考慮洩漏爆炸(Leak)或是氣體混合比（equivalence ratio, ER）爆炸。ER=1時為最佳燃氣混合比，ER的定義如下：

工程改善後再次進行後果分析

經過初步後果分析後，分別建議採取防爆電氣安全設計，洩爆工程控制或是空間安全距離控制。本計畫並進一步研究，如果採用洩爆工程控制是否可以有效降低爆炸範圍，減少設備與人員損傷。

結果與分析

VMB爆炸模擬結果分析

VMB(valve manifold box)共進行四種洩漏模式模擬，如 表三所示。洩漏模式中ER代表實際燃氣比除以當量燃氣比，如ER=1時，為最佳燃氣比。此外，Leak代表氫氣自管路洩漏至箱體內點燃；排氣代表箱體有局部排氣系統。

本研究中採用洩爆強度共有三種，分別為洩爆強度=0.7代表使用金屬強固箱體；洩爆強度=0.3代表使用安全玻璃或金屬線玻璃；洩爆強度=0.1代表使用普通玻璃。安全間距參考 表一說明。

VMB內部發生洩漏點火爆炸時，主要的威力會發生在箱體內部，再透過洩壓點向外釋出。在極端情況全鋼板箱體（含強化玻璃及緊密門扣，可視為洩爆壓力=0.7barg），假設發生ER=1的氫氣爆炸時（如 圖一所示），最大壓力達0.9554 barg，警戒範圍為水平半徑4公尺，若有阻擋物時其過壓壓力會升高。因VMB的設置位置較低(1.5m)，以及箱體門平面開啟的關係，爆炸危害主要在箱體正面，人員操作時需特別注意。

透過排氣的設計（洩爆壓力=0.3 barg），爆炸危害可侷限在箱體附近，1公尺外過壓可降至0.07barg以下。為避免碎片(debris)的影響，建議設計洩爆面積及洩爆壓力符合FM 1-44要求之洩爆口，警戒範圍幾乎可降為0公尺，洩爆方向以上方為原則。

AMAT EPI機台氣體主箱閥（Main Gas Box）爆炸模擬

如 表四所示之爆炸模擬及排氣條件，AMAT EPI Main Gas Box發生洩漏(Leak)的氫氣點火爆炸模擬結果顯示，最大壓力達0.52barg，可能造成整個設備毀損。警戒範圍以機台為中心水平半徑6公尺、垂直高度4公尺（如 圖二所示），也就是說扣除爆炸機台毀損，如果機台與機台間隔少於4公尺，將有可能衍變成連續性災害。此外，經電腦模擬結果顯示，天花板的盲板受到爆炸波影響仍輕，不至於發生因天花板吹翻風險。

AMAT EPI SiCoNi氣體箱閥(Gas Box)爆炸模擬

如 表五所示之洩漏模擬及排氣條件，AMAT EPI SiCoNi Gas Box箱體堅固（洩爆壓力=0.7）無適當的洩壓設計，無論是否有排氣設計，最大爆炸壓力仍高，雖然體積不大，蓄壓累積較小，建議應有3公尺的緩衝空間。當爆炸波在衰減過程中有阻擋物，會再度產生升壓現象（如 圖三所示）。故應避免在爆壓路徑上有較大的阻礙物。

機台氣體純化箱(Local Gas Purifier)爆炸模擬

Local Gas Purifier箱體在現場查勘時，進氣百葉是關閉情況，因此考慮沒有排氣情況下，分別研究一般材質（有玻璃破裂，洩爆壓力=0.3 barg）或是堅固箱體（洩爆壓力=0.7barg），洩漏模擬條件如 表六所示，結果顯示假設洩漏引起爆炸，安全間距為2.5公尺（如 圖四所示）。

中央洗滌塔(Central Scrubber)爆炸模擬

本情景是參考其他公司已知事故，模擬洩漏及排氣條件如 表七所示，假設在ER=1，塑膠材質水洗塔發生爆炸，進風口前方3公尺、垂直高度6公尺為安全間距範圍（如 圖五所示），機台過密處（半徑範圍內）可能會發生連續災害。水洗塔發生ER=1的氫氣爆炸時，最大壓力達1.2467barg，將會造成整個水洗塔的毀損，沿上游爆炸波會造成全部SEX管線機台停機。

公司採用雙層過濾層水洗塔壓損較大，氣流會在過濾層下方打轉後才排出水洗塔，本研究案並沒有將雙層過濾層阻力計入。

排氣支管(Sub-main)爆炸模擬

本情景是假設機台尾氣處理設備(Local Scrubber)效率降至60%，沒有處理之氫氣在排氣支管（Sub-main）排氣管聚集引起爆炸，如 表八所示，假設洩漏模式ER=1，模擬結果顯示在風管內發生爆炸，爆炸波會沿風管上下游前進（如 圖六所示），可能由某支管洩出爆炸波，在此風管上相關機台都受到影響。

在管末使用洩爆片，結果顯示沒有明確洩爆功效，因為爆炸波並不會只沿上游前進。

結論

電腦模擬結果顯示氣體閥箱、機台氣體純化箱、AMAT EPI 機台氣體主閥箱及AMAT EPI SiCoNi 氣體閥箱等箱體內氫氣爆炸所需要之安全間距，但因潔淨室空間有限，因此建議採取洩爆板可降低安全間距要求（雖然使用防爆電氣設備也可以有效降低爆炸風險，但不在本文討論範圍）。

電腦模擬中因氫氣洩漏衍生爆炸，可因管線材質、閥件材質、焊接品質的要求、氣體感知器有效性及連鎖遮斷供氣源、維修或檢查完整性的有效管理，而大幅降低洩露可能性。在電腦模擬中假設氣體感知器失效，因此氣體感知器有效性及連鎖遮斷供氣源是非常重要安全連鎖，建議依據SEMI S2 6.6要求，使用失效也安全迴路(fail safe)或具有容錯特性(fault tolerance)的設計或構造。