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Possono insorgere dei pericoli durante tutte le fasi della vita di un sistema:
Progettazione
Durante la progettazione di un sistema, si devono scegliere apparecchiature e componenti di tipo corretto per l'applicazione. Specificare:
Si dovrà considerare l'idoneità generale dell'impianto per l'applicazione specifica; ci si deve assicurare che sia sempre impiegato nei limiti delle condizioni di funzionamento specificate.
Si dovranno adottare procedure di progettazione tali da ridurre al minimo gli errori di progettazione. Tali procedure dovranno comprendere un controllo dei calcoli e parametri di progettazione effettuato da consulenti indipendenti.
Dovrà sempre fare parte della progettazione un'analisi dei pericoli potenziali. Molti pericoli si potranno eliminare mediante una attenta considerazione dell'uso della apparecchiature del sistema.
Costruzione
Ridurre il rischio di pericoli durante la costruzione impiegando personale qualificato e procedure di assicurazione qualità. Durante il montaggio, infatti, il personale se qualificato sarà in grado di identificare se i componenti e le apparecchiature impiegate sono difettose o di qualità insufficiente. Le procedure di assicurazione qualità aiutano a identificare e rettificare i difetti di lavorazione, garantendo una scrupolosa aderenza alle specifiche di progettazione.
Il personale dovrà prestare particolare attenzione e osservare tutte le norme di sicurezza durante l'installazione di nuove apparecchiature in sistemi in cui siano state pompate o prodotte sostanze tossiche, infiammabili e piroforiche.
Esercizio
Potranno insorgere dei pericoli durante l'esercizio del sistema in seguito ad avaria di apparecchiature o componenti dovuta a usura, uso improprio o insufficiente manutenzione. Si potranno ridurre tali rischi addestrando appropriatamente il personale all'uso e alla manutenzione del sistema e delle apparecchiature.
Manutenzione
Per evitare che il personale venga a contatto con sostanze pericolose, si dovrà osservare la massima attenzione e prendere tutte le misure di sicurezza durante la manutenzione di sistemi in cui siano state pompate o prodotte sostanze tossiche, infiammabili o piroforiche.
Si dovrà inoltre assicurare che vengano rottamati in condizioni di sicurezza gli eventuali componenti sostituiti che siano stati contaminati da sostanze pericolose.
La rottura o lo scoppio di componenti del sistema da vuoto ( comprese le pompe) può verificarsi nei seguenti casi:
In tutto il mondo, solo raramente si sono verificate esplosioni in sistemi di scarico di pompe da vuoto, specialmente in sistemi per la produzione di semiconduttori. Invariabilmente esse sono state causate da un uso improprio delle apparecchiature. Alcune esplosioni sono state estremamente violente e avrebbero potuto causare gravi infortuni.
La causa più comune di scoppio violento di un componente di un sistema del vuoto è costituita dal bloccaggio o restrizione dello scarico della pompa.
Precauzioni da osservare:
(per ulteriori informazioni si rimanda al capitolo sulla sicurezza chimica)
Sovrappressione del sistema
I componenti del sistema potranno essere sottoposti a sovrapressioni in seguito a:
Sovrappressione nello scarico della pompa
Le cause più comuni sono un bloccaggio o una restrizione nel sistema di scarico.
Tutte le pompe del vuoto si possono considerare come dei compressori ad elevato rapporto di compressione. Esse sono inoltre previste per scaricare alla pressione atmosferica o leggermente superiore.
Se lo scarico è ristretto o bloccato, la pompa potrà generare pressioni di scarico superiori a 7 bar che potranno condurre a guasti alla pompa o ad altri componenti del sistema.
Oltre alle sovrapressione che possono essere generate dalla pompa stessa, l'introduzione di un gas compresso (come per esempio un gas di lavaggio, spurgo o diluizione) può anche produrre pressioni eccessive se il sistema di scarico è bloccato o ristretto.
Pompe rotative con tenuta ad olio - Non devono mai funzionare con scarico bloccato o ristretto; in tali condizioni, infatti, si danneggiano i componenti della pompa. Si dovrà pertanto progettare il sistema di scarico in modo che la pompa non venga mai sottoposta ad una contropressione di carico superiore a 1 bar. In condizioni di funzionamento normali, la pompa non dovrà funzionare in continuazione con contropressioni relative superiori a 0,2 bar.
Pompe Drystar - Anche le pompe a secco sono in grado di generare elevate pressioni di scarico con il sistema di scarico ristretto o bloccato. Tuttavia i valori di pressione relativa a cui possono lavorare le pompe Drystar (di solito superiori a 7 bar) sono notevolmente più elevati di quelli delle pompe rotative con tenuta a olio. Ciononostante è ugualmente importante che le pompe Drystar non vengano fatte funzionare in continuazione con contropressioni relative di scarico superiori a 0,2 bar. Si raccomanda di dotare il proprio sistema di un pressostato che disinserisca la pompa a contropressioni relative di scarico superiori a 0,4 bar.
Pressione di progettazione del sistema di scarico - Si raccomanda di progettare il proprio sistema in modo che il sistema di scarico non sia sottoposto a pressioni relative superiori a 1 bar.
Protezione dalle sovrapressioni di scarico
Generalmente si raccomanda che lo scarico delle pompe venga collegato ad un sistema aperto all'atmosfera. Il sistema di scarico, perÚ, potr‡ incorporare dei componenti che potrebbero dare luogo a restrizioni o bloccaggi. In tal caso so dovranno incorporare dei dispositivi adatti per proteggere da sovrapressioni, per esempio come indicato nella tabella sottostante:
| Componente | Metodo di protezione |
| Valvola in tubazione di scarico |
Interbloccare la valvola in modo che sia sempre aperta con la pompa in funzione. Incorporare un bypass di sicurezza |
| Depuratore di scarico |
Incorporare un by-pass di sicurezza Incorporare un dispositivo di monitoraggio pressione interbloccato con la pompa in modo che questa si disinserisca con pressione si scarico troppo alta |
| Filtro per nebbia d'olio |
Incorporare un dispositivo di sicurezza di scarico pressione d'olio |
Riassumendo, se la pressione nel sistema di scarico si avvicina al massimo ammissibile:
Sovrappressione d'ingresso
Alimentazione di gas compressi e contropressione
E' facile sottovalutare la pressione necessaria per la tubazione che collega la pompa al sistema del vuoto, dato che si può venire indotti a pensare che tale tubazione non sia sottoposta a pressioni superiori a quella atmosferica. In pratica ciò è soltanto vero in condizioni di funzionamento normali. Si dovrà pertanto calcolare la pressione necessaria in modo da fare fronte ad eventuali aumenti di pressione dovuti a condizioni anormali o di guasto.
La causa più comune di sovrapressioni nelle tubazioni di ingresso della pompa è dovuta all'introduzione di gas compressi (come per esempio gas inerte o di lavaggio) con pompa non in funzione. Se i componenti della tubazione di ingresso non sono in grado di resistere alla pressione che ne risulta, si ha la rottura o lo scoppio con conseguente fuga di gas di processo dal sistema. Anche un riflusso di gas dal sistema in una camera di processo che non sia in grado di resistere alla pressione risultante, potrà causare rotture e fughe.
Fare attenzione prima di collegare alimentazioni di gas compresso al sistema tramite regolatori di pressione previsti per provvedere un flusso a bassa pressione (a valori entro i limiti del sistema)
I regolatori di pressione senza sfiato pi comunemente usati consentono alla pressione all'interno del sistema di salire fino alla pressione a monte del regolatore qualora nel sistema non vi sia alcun flusso di gas di processo. Per evitare sovrapressioni si dovrà quindi impiegare uno dei seguenti metodi:
Funzionamento scorretto della pompa
Si dovranno prendere speciali precauzioni finchè non si sia constatato che la pompa funzioni correttamente.
Se il senso di rotazione della pompa non è corretto, oppure se essa funziona con l'ingresso bloccato o ristretto, si possono generare pressioni eccessive nella tubazione di ingresso con conseguente scoppio della pompa, della tubazione o dei relativi componenti.
Usare sempre una piastra di otturazione senza fissarla sull'ingresso della pompa finchè non si sia appurato che la pompa giri nel senso corretto.
Precauzioni contro i pericoli fisici
Le tecniche di analisi dei pericoli forniscono un approccio strutturato all'identificazione e alla analisi dei pericoli che potranno insorgere in un sistema nel suo uso normale, come pure in condizioni di guasto e avaria. Queste tecniche, che possono condurre ad una vera e propria gestione dei pericoli, possono in molti casi essere obbligatorie per legge. Per una massima efficacia, l'analisi dei pericoli deve incominciare nelle fase preliminare di progettazione e continuare con l'installazione e la gestione del sistema.
In genere l'analisi dei pericoli produce informazioni circa il tipo di pericoli, la loro gravità e la probabilità di evenienza. Si potranno usare queste informazioni per decidere il migliore metodo per ridurre ad un livello accettabile gli effetti di eventuali pericoli. A seconda della sua origine, potrà essere possibile eliminare il pericolo, ridurne la gravità, oppure ridurre la probabilità che si verifichi. E' tuttavia raro che si possa eliminare completamente un pericolo.
Si dovranno considerare tutti i possibili effetti di un pericolo per poter decidere il miglio metodo per la sua gestione. Per esempio, una piccola superficie rovente potrà costituire un pericolo per l'operatore, anche se limitato (potrebbe causare ustioni).Per ridurre tale rischio, il progettista potrà impiegare un segnale di pericolo oppure impedire fisicamente il contatto con una protezione. Una analisi dei pericoli del sistema, però, potrà indicare inoltre che la medesima superficie rovente potrà essere fonte di accensione per vapori infiammabili, ciÚ che potrebbe condurre ad una grave esplosione o alla generazione di una nuvola di vapori tossici. Per ridurre il rischio derivante da una fonte di accensione, il progettista dovrà ridurre la temperatura di tale superficie o assicurare che gli eventuali vapori infiammabili non possano venirne a contatto.
Pressione massima ammissibile
Le tubazioni e i componenti di un sistema da vuoto sono previsti per funzionare con pressioni interne inferiori a quella atmosferica. In pratica, tuttavia, Ë normalmente necessario progettare il sistema per pressioni interne superiori a quella atmosferica. Se necessario si dovranno incorporare dispositivi per lo sfogo della pressione e evitare che la pressione salga oltre certi limiti.
E' importante che le tubazioni e gli altri componenti di ingresso non diventino la parte pi debole del sistema: si deve presumere che essi funzioneranno sempre sotto depressione, anche in caso di guasti.
Il sistema di scarico deve venire sempre progettato in modo da offrire la pi bassa contropressione possibile. E' importante, tuttavia, progettare il sistema di scarico con una adeguata resistenza alla pressione. Dovrà essere idoneo alle pressioni generate dalla pompa e dall'introduzione nel sistema di gas compressi, nonchÈ essere adatto per l'uso con i dipositivi di protezione dalla sovrapressione impiegati.
Durante l'analisi dei pericoli si dovrà sempre considerare quanto segue:
Eliminazione di volumi stagnanti
Si definisce volume stagnante un qualsiasi volume chiuso in una tubazione o in un componente del vuoto in cui non si verifica alcun passaggio di gas, come per esempio la scatola degli ingranaggi di una pompa booster meccanica o la tubazione di collegamento di uno strumento. Tubazioni varie e di alimentazione dell'azoto possono anche diventare volumi stagnati quando isolate con le apposite valvole.
Si deve tenere conto di questi volumi stagnanti quando si considera la miscela e la reazione di gas di processo che normalmente non sono presenti assieme nella camera di processo. Le tubazioni, le pompe e camere di processo generalmente trasportano i gas per cosÏ dire linearmente, vale a dire un gas, o una miscela di gas, uno dopo l'altro.
I gas trasportati in tale flusso lineare normalmente non si mischiano a meno che la velocità di scarico si riduca per via di una restrizione o di un bloccaggio. Dato che non vengono spurgati, i volumi stagnanti possono riempirsi con i gas di processo in seguito alle oscillazioni di pressione nel sistema. In tal modo nei volumi stagnanti possono rimanere i gas che passano nel sistema ad uno stadio del processo, gas che potranno reagire con i gas di una succesiva fase del processo. Per eliminare il rischio di esplosioni, occorrerà spurgare tali volumi stagnanti tra un gas e l'altro, qualora questi siano incompatibili.
Si dovrà porre la massima attenzione alla contaminazione incrociata di volumi stagnanti qualora la pressione sia relativamente alta (vicino a quella atmosferica) e i gas potenzialmente esplosivi. In particolare si dovrà considerare il pericolo di accumulo di gas in filtri e separatori. Per ridurre il rischio di contaminazione incrociata, usare, se appropriato, un elevato flusso continuo di gas inerte di lavaggio.
Sistemi di estrazione di scarico
E' importante usare un sistema di estrazione di scarico di tipo corretto per il proprio processo. Come detto precedentemente, il sistema di estrazione deve venire progettato per resistere alle pressioni di esercizio e, qualora si producano o trattino sostanze pericolose, dovrà essere sufficientemente a tenuta per contenere i materiali di processo e i loro sottoprodotti.
Sistemi di diluizione a gas
Questo metodo di protezione si basa sul principio di miscelare un gas inerte (normalmente azoto) con i gas di processo in modo da diluirli ad una concentrazione alla quale non si possano verificare esplosioni o reazioni. Se si usa la diluizione a gas come sistema primario di sicurezza per proteggere il sistema dalle esplosioni, si dovrà usare un sistema di allarme e di interblocco di elevata affidabilità per bloccare il funzionamento dell'impianto di processo qualora il sistema di diluizione a gas non funzioni.
Quando si calcola la concentrazione di diluizione necessaria per dei materiali potenzialmente esplosivi, si deve usare un quarto del limite inferiore di esplosione del materiale invece che il limite superiore. Se si mantiene il rapporto di diluizione che riduce la concentrazione delle sostanze esplosive di un quarto al di sotto del limite di esplosione inferiore, nel sistema di processo si mantiene una miscela sicura anche nel caso di fughe dal sistema.
Come regola generale, diluendo gas e vapori infiammabili al di sotto della concentrazione dell'1% in volume, si è sicuri di restare al di sotto del limite inferiore di esplosione. Si dovrà tuttavia controllare tale valore con il fornitore della sostanza in questione.
Per esempio, nell'ossigeno l'idrogeno presenta un limite superiore di infiammabilità del 93,9% e un limite inferiore del 4,65%. Pertanto se si mantiene la concentrazione dell'idrogeno sopra il 93,9% o sotto il 4,65%, non si puÚ verificare una reazione di combustione.
Con questo metodo si potrà pure ridurre la concentrazione di ossidanti a livelli di sicurezza, perÚ in caso di fuga ci potrà essere un pericolo per via dell'aumento di concentrazione in seguito all'ossigeno presente nell'aria. Occorre quindi provare la tenuta del sistema dopo l'installazione, per ridurre il rischio di perdite.
Ci sono diversi punti chiave che si devono osservare per la progettazione di sistemi del vuoto sicuri:
Scelta delle apparecchiature del sistema.
Quando si progetta un sistema del vuoto, prendere in considerazione i seguenti parametri per la scelta della pompa:
Con pompe rotanti si deve inoltre considerare:
Con pompe Drystar si dovrà inoltre considerare:
La pressione statica massima indica la pressione massima a cui si può sottoporre l'ingresso o l'uscita quando la pompa non è in funzione. Il valore i questa pressione dipende dalla costruzione meccanica della pompa.
Le pompe rotative sono previste per il funzionamento con pressioni di ingresso inferiori o al massimo uguali alla pressione atmosferica e, sebbene la pressione statica massima potrà essere superiore alla pressione atmosferica, durante il funzionamento la pressione di ingresso massima non deve superare la pressione atmosferica.
Alcuni costruttori limitano la pressione di ingresso continua massima delle loro pompe a valori inferiori alla pressione atmosferica. La pressione di ingresso massima con pompa in funzione si definisce pressione di esercizio massima.
La ragione per la limitazione della pressione di esercizio massima non Ë necessariamente correlata alla resistenza meccanica della pompa. La pressione massima è normalmente proporzionale alla potenza della pompa ad elevate pressioni di ingresso e dipende dai pericoli potenziali di surriscaldamento dei componenti meccanici della pompa o del motore elettrico.
Per ragioni analoghe si raccomanda pertanto di mantenere la pressione di uscita della pompa del vuoto pi bassa (tipicamente inferiore a 4 psig per funzionamento continuo). Le pompe sono previste per funzionare con scarico libero e pertanto una pressione di uscita di 4 psig è sufficiente per far passare i gas di scarico attraverso il sistema di estrazione ed eventuali apparecchiature di depurazione e trattamento.
La progettazione di tubazioni
Giunti a soffietto - Si tratta di brevi giunti a pareti sottili e ondulate. Si usano per ridurre la trasmissione di vibrazioni dalla pompa al sistema del vuoto. Montare sempre questi giunti a soffietto in linea retta, con entrambe le estremità fissate rigidamente. Se montati correttamente, possono resistere a piccole pressioni interne positive. Non usare giunti a soffietto dal lato dello scarico delle pompe a secco.
Tubi piegabili rinforzati con maglia d'acciai - Si tratta di tubi flessibili a soffietto con protezione esterna in maglia di acciaio inossidabile che si possono facilmente piegare durante l'installazione. Sono adatti per uso lato dello scarico di pompe a secco e altre applicazioni con notevoli pulsazioni di flusso o possibilità di elevate pressioni. Questi tubi piegabili sono intesi per uso statico; non sono cioË idonei a ripetute flessioni poichè potrebbero rompersi. Durante l'installazione di questi tubi si dovrà rispettare il raggio di curvatura minimo indicato nelle istruzioni fornite con i tubi.
Tubi piegabili - Presentano uno spessore di parete maggiore e ondulazioni meno profonde dei giunti a soffietto. Costituiscono un metodo conveniente per il collegamento di componenti del sistema del vuoto, compensano i disallineamenti e permettono piccoli movimenti in tubazioni del vuoto rigide. Questi tubi sono previsti per il monitoraggio in sistemai statici. Non adatti per flessioni ripetute poichÈ potrebbero causare rotture. Con questi tubi usare la lunghezza minima necessaria ad evitare curve inutili. Non usarli dal lato dello scarico di pompe a secco.
Punti di ancoraggio - Ancorare e fissare correttamente le tubazioni e i componenti montati su di esse. Per esempio, se i giunti a soffietto non vengono ancorati correttamente, non solo non saranno i grado di ridurre le vibrazioni generate dalla pompa ma potranno anche subire delle fratture.
Protezione fisica da sovrapressioni
Si possono verificare sovrapressioni in seguito a una restrizione o a un blocco nel sistema o nei suoi componenti come pure in seguito a del gas compresso proveniente dalla pompa o alimentato dall'esterno (come per esempio nel caso di sistemi di diluizione). Per la protezione del sistema dalle sovrapressioni ci sono due metodi principali.
Dispositivi di sfogo di pressione
Si possono usare membrane di rottura o valvole di sicurezza. La pressione di funzionamento del dispositivo deve essere inferiore alla pressione di disegno del sistema. Questi dispositivi vanno collegato con una tubazione adatta a zone in cui non si abbiano restrizioni di scarico. Se il processo produce sottoprodotti, questi dispositivi di sicurezza vanno ispezionati regolarmente per accertarsi che non siano bloccati o ristretti.
Allarme / arresto automatico per sovrapressione
E' il metodo di protezione preferito e largamente usato nei sistemi di pompaggio per la fabbricazione di semiconduttori. E' raccomandato per qualsiasi sistema, ma Ë particolarmente adatto per sistemi che generano sottoprodotti solidi.
Dato che questo sistema di allarme/arresto automatico costituisce un dispositivo di sicurezza di primaria importanza, deve presentare un elevato grado di affidabilità. Non si puÚ fare infatti affidamento su un semplice interruttore o sensore pressostatico collegato ad una tubazione, dato che eventuali condensazioni di solidi o corrosione potrebbero incapacitare il dispositivo senza dare alcuna indicazione di guasto.
Si raccomanda pertanto di usare un sensore con lavaggio di azoto in corrispondenza del punto di collegamento. Il flusso di azoto mantiene il collegamento libero e inoltre, in caso di bloccaggio, la pressione dell'azoto salirà abbastanza per azionare l'allarme e l'arresto automatico.
Quando si raggiunge la pressione di arresto automatico, il sistema di controllo dovrà arrestare sia la pompe che l'eventuale immissione di gas (se in grado di pressurizzare il sistema oltre la pressione di esercizio massima ammissibile).
Regolatori di pressione
Ci sono due tipi principali di regolatori di pressione, con e senza sfogo.
Per mantenere costante la pressione di uscita in assenza di flusso, i regolatori con sfogo scaricano il gas in atmosfera o in una tubazione di sfogo separata. Per via dello sfogo, tali regolatori non sono normalmente usati nella produzione di semiconduttori ove l'integrità delle tubazioni è di importanza fondamentale.
I regolatori senza sfogo possono mantenere una pressione di uscita costante soltanto in condizioni di flusso, ciÚ nonostante sono il tipo di regolatore generalmente usato nella produzione di semiconduttori.
In assenza di flusso, la pressione di uscita di alcuni regolatori puÚ salire al valore della pressione di alimentazione. La velocità di salita della pressione dipende dalle caratteristiche del regolatore e dal volume a cui la sua uscita Ë collegata: il tempo di raggiungimento della pressione di alimentazione potrà variare da alcuni minuti a diversi mesi.
I regolatori di pressione non sono previsti per funzionare coma valvola di intercettazione e pertanto se Ë necessario l'isolamento devono venire impiegati assieme a dispositivi adatti (come per esempio una elettrovalvola); altrimenti si devono prendere provvedimenti per scaricare l'eccesso di pressione.
Dispositivi di sfogo pressione in seguito ad esplosione
Per certe applicazioni si potrà considerare di dotare il sistema con un dispositivo per lo sfogo della pressione risultante in seguito ad esplosione, come comunemente si fa nelle industrie di processo.
Il tipo di dispositivo pi comune Ë costituito da una membrana a rottura che fa passare i prodotti dell'esplosione in un apposito condotto per sfogo in area sicura. Si possono pure usare valvole di sicurezza, ma queste presentano lo svantaggio di una minore affidabilità.
La velocità di salita della pressione, come pure la pressione massima di esplosione, costituiscono un importante fattore per stabilire il rapporto tra la pressione di disegno del sistema, il volume del sistema, il valore della pressione di sfogo e il volume di sfogo.
I dispositivi di sfogo della pressione di esplosione normalmente non sono usati nel settore della produzione di semiconduttori per le seguenti ragioni:
Tagliafiamma
Non sono dispositivi per la prevenzione o la protezione da esplosioni. Servono per evitare la propagazione della fiamma in un tubo o in un condotto. PoichÈ presentano una grande superficie e una piccola conduttanza, la fiamma viene estinta. I tagliafiamma sono in genere adatti soltanto per l'uso in sistemi con gas o vapori puliti.
Sommario - scelta delle apparecchiature del sistema