純水管道選擇
日期：
2022-03-18
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來(lái)源：
潔凈技術(shù)與應(yīng)用
純水是電子、電力、醫(yī)藥、食品、石油、化工等工業(yè)部門所必須的基礎(chǔ)材料之一，尤其被廣泛使用于電子工業(yè)的電子元件、電真空器件、顯像管、半導(dǎo)體器件等生產(chǎn)中。隨著集成電路的迅速發(fā)展，對(duì)純水的質(zhì)量要求日益提高，需用量也大幅度增加。面對(duì)這種狀況，人們首先把注意力放在采用先進(jìn)的制造工藝和設(shè)備，并輔以科學(xué)的管理上面，但往往忽視了另一重要環(huán)節(jié)--純水輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)如設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)使使用點(diǎn)處的純水水質(zhì)大大降低，為此本篇將對(duì)此問(wèn)題的簡(jiǎn)要討論，僅供各位同行參考。
高純水被污染的原因，一是來(lái)自外界雜質(zhì)的引入，二是系統(tǒng)內(nèi)各種材料中所含污染物的溶出。因管道材質(zhì)造成純水水質(zhì)下降主要有以下兩點(diǎn)：（1）管道材質(zhì)中的不純物質(zhì)溶解于高純水中致使水中陽(yáng)、陰離子增加、電阻率下降以及TOC增大。（2）因管道內(nèi)壁不光滑及接頭、閥門等原因造成細(xì)菌滯留繁殖以及其他顆粒的聚積，致使水中微粒增加。? ? ? ?為了減少上述不利因素的影響，應(yīng)選用可萃性低、內(nèi)壁光滑的管道并盡可能減少接頭及管件的凹凸不平。當(dāng)然也要根據(jù)純水水質(zhì)的級(jí)別進(jìn)行選材，并注意材料的價(jià)格等，要統(tǒng)籌兼顧。根據(jù)材質(zhì)的不同，高純水配管主要可分為有機(jī)系配管和不銹鋼配管兩大類。有機(jī)系配管的品種常見的包括聚氯乙烯(PVC)，聚丙烯(PP)，丙烯腈-丁乙烯-苯乙烯(ABS)，聚偏二氟乙烯(PVDF)等4種，它們的主要性能見表1。注：*因PVDF管不含任何添加劑，所以只發(fā)現(xiàn)溶出F-。有機(jī)配管材質(zhì)對(duì)高純水水質(zhì)的影響，目前尚無(wú)完整的比較資料及可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)道。各國(guó)有各自的選用習(xí)慣，例如美國(guó)多采用PVC管，英國(guó)多采用ABS管，而歐洲一些國(guó)家則常用PP管。PVDF管大多用于水質(zhì)要求特別高的純水精處理系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)各種管材的使用現(xiàn)狀是： PVC管是高純水中使用最廣泛的管道材料，普遍引進(jìn)美國(guó)SPEARS公司的SCH80 PVC管道(SCH80為SCHEDULE NUMBER80的簡(jiǎn)寫，為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)管子號(hào))。由于PVC管采用承插粘接，故對(duì)管外徑公差要求較嚴(yán)格，它的另一個(gè)弱點(diǎn)是不能耐臭氧(O3)和高溫，使用時(shí)要引起足夠的注意，使用一定年限后可能會(huì)出現(xiàn)部分粘結(jié)處滲漏滴水現(xiàn)象。 PP管盡管在常溫下各種雜質(zhì)溶出量較低，亦能耐一定的溫度，但隨溫度的上升，Na+、SO2-4溶出量成倍增加。國(guó)內(nèi)尚無(wú)可用于純水的PP管，許多引進(jìn)項(xiàng)目中采用國(guó)外的PP管，如GF，一般采用紅外熱熔焊接方式，相對(duì)PP管道，使用一定年限后很少出現(xiàn)滲水滴漏問(wèn)題。 ABS管在純水系統(tǒng)中已有一定范圍的使用，國(guó)內(nèi)亦有廠家生產(chǎn)DN15~DN150的ABS管道、閥門及配件，但對(duì)它的評(píng)價(jià)各說(shuō)不一，尚未定論實(shí)際應(yīng)用中采用較少。 目前普遍認(rèn)為PVDF管在商品有機(jī)配管中是性能穩(wěn)定且對(duì)純水水質(zhì)污染最小的管材，特別具有耐溫、耐H2O2、O3和耐UV照射的優(yōu)點(diǎn)。最大的不足是價(jià)格昂貴，為PVC管的5~10倍，因此目前僅用于純水精處理系統(tǒng)的管道中，一般用于集成電路工廠。 不銹鋼配管材質(zhì)通常選用0Cr18Ni9(304L)和00Cr7Ni14Mo2(316L)兩種牌號(hào)。它們之間的主要區(qū)別在于后者加入2%的鉬，從而在技術(shù)性能上比前者優(yōu)越，特別對(duì)非氧化性酸和熱的有機(jī)酸、氯化物的耐腐蝕性比單純的鉻、鎳不銹鋼要好得多，抗孔蝕能力也會(huì)大大增強(qiáng)。無(wú)論選用哪種牌號(hào)的不銹鋼管，均應(yīng)進(jìn)行表面處理，以減少金屬溶出量和提高內(nèi)表面光潔度。特別對(duì)焊縫處必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行酸洗和鈍化處理。目前，在水質(zhì)級(jí)別不太高的大型電子純水系統(tǒng)大多采用304L不銹鋼管，而在醫(yī)藥工業(yè)高純水系統(tǒng)均用316L不銹鋼管。純水輸送和分配管道系統(tǒng)是整個(gè)純水系統(tǒng)的重要組成部分，該系統(tǒng)將中央純水站制出的高質(zhì)量純水以盡量小的水質(zhì)降幅輸送給每一個(gè)使用地點(diǎn)。但由于水的純度很高，極易受到污染，而用水點(diǎn)較分散又無(wú)規(guī)律且變化幅度大等，給純水的盡可能的保質(zhì)輸送帶來(lái)相當(dāng)大的難度。目前配管設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的兩大難題是：（1）如何保持較高的管道設(shè)計(jì)流速，即在管道系統(tǒng)壓力損失允許的情況下管內(nèi)流速盡量大，以防管內(nèi)細(xì)菌繁殖和微粒沉積。（2）如何防止純水管道系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生滯水、短路和逆向流動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)不斷地探索和實(shí)踐，現(xiàn)從設(shè)計(jì)角度提出幾種可供選擇的途徑：? ? ? ? ①設(shè)計(jì)采用純水循環(huán)系統(tǒng)，并必須24h連續(xù)運(yùn)行，以杜絕管內(nèi)產(chǎn)生死水。 ②為使運(yùn)行中無(wú)論純水使用多少都能保證純水處于流動(dòng)狀態(tài)，循環(huán)附加流量應(yīng)為設(shè)計(jì)流量的50%～100%。 ?、蹜?yīng)保證純水管道流速。純水循環(huán)干管最小流速宜大于1.5m/s，支管流速宜大于1.0m/s。 ?、軐?duì)接使用點(diǎn)支管應(yīng)盡量縮短，以減少死水管段。有文獻(xiàn)報(bào)道支管長(zhǎng)度不宜超過(guò)30倍管徑長(zhǎng)度。 ?、菅h(huán)管道宜采用雙管布置方式，即有獨(dú)立的給水管和回水管的純水循環(huán)管道系統(tǒng)。目前純水循環(huán)管道系統(tǒng)的布置常用的有3種：?
這種布置方式在閥門關(guān)閉時(shí)，支管部分易產(chǎn)生滯留，它將影響其后面管道的水質(zhì)。同時(shí)，當(dāng)供水區(qū)域較大，用水點(diǎn)較多時(shí)，由于循環(huán)管道過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成末端壓差較大。因此，它僅限于在較小的、水質(zhì)要求不太高的純水輸送系統(tǒng)中采用為好。?
這種布置方式克服了單管布置方式的缺點(diǎn)。因此對(duì)一些大型純水系統(tǒng)，且水質(zhì)要求較高的場(chǎng)合可采用這種布置方式。（3）多層廠房純水循環(huán)管道系統(tǒng)(見圖3)。?
圖3：多層廠房純水循環(huán)管道系統(tǒng)應(yīng)該指出，無(wú)論選用哪一種布置方式，在具體設(shè)計(jì)中都應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：（1）循環(huán)干管布置時(shí)應(yīng)力求靠近每一根支管閥門處，因?yàn)樵撎幰桩a(chǎn)生細(xì)菌繁殖、微粒的蓄積和放出、離子及有機(jī)物的溶出等，從而使水質(zhì)劣化的可能性最大。 ?。?）支管閥門應(yīng)放在雜質(zhì)不易滯流的位置，清洗設(shè)備在使用中要避免閥門時(shí)開時(shí)閉，處于常開狀態(tài)為佳。以避免閥門開啟時(shí)由于管道內(nèi)有滯留物而使水質(zhì)受到影響。管道清洗對(duì)能否在使用點(diǎn)獲得合格的高純水水質(zhì)極為重要，水質(zhì)要求越高，對(duì)清洗要求就越嚴(yán)格。 管道清洗工作通常包括出廠或安裝前的清洗和運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試前的清洗兩部分。清洗液配方視選用管道的材質(zhì)而有所不同。清洗方式一般采用循環(huán)清洗與靜水浸泡相結(jié)合。 浸泡是使化學(xué)清洗液與鐵銹氧化皮層等充分接觸反應(yīng)，而循環(huán)清洗的目的是利用循環(huán)液流動(dòng)的沖刷作用將被清洗表面的已疏松的雜物和反應(yīng)剝離的雜物從管道內(nèi)帶走。 對(duì)于管道清洗工作，國(guó)內(nèi)已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，并可由專門的化學(xué)清洗公司提供服務(wù)。以下僅以兩個(gè)電子工廠純水輸送系統(tǒng)為實(shí)例，分別對(duì)不銹鋼管和PVC管的清洗工藝和具體步驟作一簡(jiǎn)要討論。該輸送系統(tǒng)水質(zhì)要求電阻率≥10MΩ.cm(25℃)，管材為304L不銹鋼，單管布置方式，循環(huán)干管直徑100mm，總長(zhǎng)度約1000m。運(yùn)轉(zhuǎn)幾年來(lái)，水質(zhì)滿足了工藝要求。? ? ? ?吹掃：用鋼絲綁扎白布在管內(nèi)表面來(lái)回拉擦，直至管內(nèi)腔擦凈為止； 脫脂：用四氯化碳原液充入管內(nèi)，來(lái)回循環(huán)，除凈管內(nèi)油漬； 溫水洗：先用2%～3%濃度、溫度為40℃～50℃的洗滌劑或肥皂液在管內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)洗凈，洗凈后用40℃～50℃溫水沖洗，沖凈為止； 干燥：用無(wú)油干燥熱壓縮空氣或用凈化壓縮空氣吹干，并嚴(yán)格檢查是否有污染物； 酸洗和鈍化處理：對(duì)有銹蝕的管、閥件，在溫水洗后應(yīng)進(jìn)行酸洗和鈍化處理，并須用自來(lái)水沖洗至中性； 脫脂管道焊縫內(nèi)壁去掉氧化膜后，應(yīng)再用四氯化碳脫脂，85℃熱水洗，干燥后密封管口待裝，如發(fā)現(xiàn)有銹蝕現(xiàn)象，在干燥前還應(yīng)進(jìn)行酸洗和鈍化處理。酸洗液配方按體積比為硝酸15%、氫氟酸1%、水84%，將管道浸泡15min(溶液溫度為49℃～60℃)。 鈍化液配方按體積比為硝酸5%、重鉻酸鉀2%、水93%將管道浸泡20min(溶液溫度為常溫)。 另外，作為沖洗使用的自來(lái)水，其Cl-含量應(yīng)小于25mg/L，沖洗水流速不低于1.5m/s。3.1.2 運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試前的清洗在運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試前須先對(duì)已安裝的純水輸送系統(tǒng)作水壓試驗(yàn)，合格后方可進(jìn)行清洗； 使用純水站供應(yīng)的純水進(jìn)行沖洗，直至使用點(diǎn)出水達(dá)到規(guī)定的出水要求。該輸送系統(tǒng)水質(zhì)要求電阻率≥15MΩ.cm(25℃)，管材為SCH80PVC管，循環(huán)干管直徑32mm，總長(zhǎng)度為250m。通過(guò)試運(yùn)轉(zhuǎn)，水質(zhì)滿足了工藝要求。? ? 由于該所采用的PVC管是引進(jìn)的，因此到貨的管道在出廠前均已清洗后封裝，故一般在安裝前可不考慮清洗，對(duì)個(gè)別被污染的管件、閥件可采取下列步驟進(jìn)行清洗： 用1%～2%堿(NaOH)溶液刷洗，以去除油脂類污垢，并用自來(lái)水沖洗至中性； 在1%～2%鹽酸(HCl)溶液中浸泡2h～4h，除去銹、金屬離子及氧化物，再用水沖至中性；3.2.2 運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試前的清洗在運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試前須先對(duì)已安裝的純水輸送系統(tǒng)作水壓試驗(yàn)，合格后方可進(jìn)行； 用3%～5%雙氧水進(jìn)行管路循環(huán)清洗40min，以達(dá)到消毒殺菌目的； 使用純水站供應(yīng)的純水或反滲透水沖洗管道內(nèi)殘留藥液，直至使用點(diǎn)出水水質(zhì)達(dá)到規(guī)定的水質(zhì)要求。不銹鋼管或有機(jī)配管的安裝要求，雖已有可遵照的金屬管道或PVC管施工及驗(yàn)收規(guī)范，但由于管道內(nèi)輸送的介質(zhì)為高純水，因此在安裝中除應(yīng)參照現(xiàn)有規(guī)范所通常規(guī)定的要求外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：氬弧焊接時(shí)，要求內(nèi)焊縫表面光滑，無(wú)氧化現(xiàn)象，焊表縫及尺寸面缺陷容許值應(yīng)符合規(guī)定要求，建議采用高純氣體管路焊接方式，當(dāng)采用法蘭連接時(shí)，法蘭墊片宜用聚四氟乙烯；由于焊接時(shí)受熱，金相結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，如處理不當(dāng)在焊縫區(qū)域易產(chǎn)生銹蝕和鐵離子溶出，因此盡可能采用冷作工藝和減少焊縫量，以降低這種影響；不銹鋼托架安裝時(shí)，應(yīng)防止不銹鋼與碳鋼接觸，管道與支架接觸處應(yīng)墊入不銹鋼片、不含氯離子的塑料片或橡膠墊片；管道安裝完成后，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)，以防接頭漏氣，影響水質(zhì)。管道在安裝前應(yīng)保持清潔、平整、防止彎曲，特別應(yīng)處理掉管端鋸過(guò)后留下的毛刺等物，并用干凈抹布把管端與管件上應(yīng)上膠部分擦干凈；PVC粘接前，應(yīng)注意管端與管件對(duì)插是否合適，以防太松或太緊，并作好上膠件記號(hào)并標(biāo)注其尺寸；上膠時(shí)，膠水涂敷應(yīng)均勻并快速插入管件內(nèi)直至底部，并保持壓緊半分鐘，以防管子滑出，然后用干凈抹布將管子與管件間多余膠水擦干凈；安裝完成后應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)，以防接頭漏氣滲入各種氣體影響水質(zhì)；管道支架一定要固定牢靠，支架間距嚴(yán)格按規(guī)范要求執(zhí)行，管道支架接觸處應(yīng)設(shè)橡膠墊片，穿樓板處要加套管。注：設(shè)計(jì)純水系統(tǒng)建造等方面，可以參照國(guó)家電子工業(yè)純水設(shè)計(jì)規(guī)范《GB50685-2011》?以及美國(guó)半導(dǎo)體材料與實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5127-2007 （電子和半導(dǎo)體工業(yè)用超純水的指南）等標(biāo)準(zhǔn)。