Контроль Испытания качества монтажа системы должны проводиться тремя способами: 1. В идеальном случае должен быть проведен рентгеновский контроль всех сварных швов, чтобы подтвердить соответствие качества работ техническим требованиям на установку. Если 100%-ный контроль не осуществляется (возможно, по финансовым причинам), то, вероятно, самым эффективным способом является контроль 10% швов. В случае обнаружения дефектного шва должна быть проверена документация для всех швов, чтобы определить, имеется ли какой-либо общий фактор в найденных дефектных швах. Дефекты могут быть следствием плохого соблюдения протокола чистоты при сборке или могут быть связаны с тем, что сварку проводили в месте, где соблюдение требований чистоты было трудно контролировать. Возможной причиной могут быть сбои в подаче жидкого аргона в определенном промежутке времени, неудовлетворительная работа сварочной машины или даже индивидуальное мастерство сварщика. Эти отклонения, в определенной степени, могут быть сведены к минимуму путем проведения контрольных сварок через определенные, строго соблюдаемые промежутки времени (как минимум в начале и в конце выполнения каждой стадии работ) с проведением проверки до дальнейшего продолжения работы. Любые подозрительные сварные швы должны быть удалены и заменены. Договор на выполнение работ должен быть составлен так, чтобы отражать это требование и, соответственно, гарантировать, что финансовую ответственность за издержки вследствие таких ошибок несет монтажная организация.
2. Система должна быть испытана на герметичность компонентов и сварных швов путем заполнения системы аргоном под давлением, в 1,5 раза превышающем рабочее, и наблюдения за падением гермошмпенсированного давления в течение более 24 часов. Если это испытание прошло успешно, систему проверяют на утечки в каждом сварном шве с помощью гелиевого течеискателя.
3. Третий вид испытаний позволяет подтвердить, что смонтированная система свободна от загрязнений. Это делают после продувки системы (во время которой удаляют оставшиеся мельчайшие загрязнения) путем пропускания через систему инертного газа высокой чистоты с одновременным контролем содержания влаги, кислорода, углеводородов и частиц на входе и выходе из системы, проверяя таким образом целостность системы и качество ее сборки (монтажа).
Настоящая глава посвящена выбору материалов для изготовления технологических трубопроводов высокочистой воды. Она состоит из двух главных разделов. В первом представлен обзор материалов, которые предпочтительно используются при создании установок очистки воды. Второй раздел касается специальных компонентов трубопроводов, применяемых в системах транспортировки воды, начиная от воды водопроводной до высокочистой. Не оставлены без внимания и материалы трубопроводов, предназначенных для транспортировки кислот и газов.
Существует большое разнообразие материалов, которые отвечают требованиям изготовления трубопроводов и сопутствующего оборудования. Сюда входит широкий спектр металлов, начиная от углеродистой стали до экзотических сплавов, например, самых современных нержавеющих сталей, сплавы на основе никеля и титана, а также большой ассортимент полимеров, начиная от самого элементарного полиэтилена до дорогих фторполимеров.
В настоящей главе наиболее пристальное внимание будет уделено таким основным аспектам проблемы выбора материалов для трубопроводов, как:
• Доступность в требуемом виде и сортаменте;
• Способность к соединению;
• Стоимость;
• Коррозионная стойкость или стойкость к деструкции.
Последнее требование является критическим: (а) поскольку, по очевидным причинам, оно определяет срок службы и надежность систем транспортировки и (б) коррозионное разрушение является главным источником загрязнения высокочистой воды продуктами коррозии. Еще одна возникающая при этом проблема заключается в том, что высокочистая вода может являться агрессивной средой для многих материалов.
Этот материал дешев, легко обрабатывается и соединяется (например, хорошо сваривается), а также обладает хорошими механическими свойствами. Перечень некоторых механических свойств ряда материалов, обсуждаемых здесь, представлен в таблице 13.1. Тем не менее, несмотря на свои достоинства, углеродистая сталь имеет очень низкую коррозионную стойкость. Такой недостаток можно уменьшить, прибегнув к применению антикоррозионной защиты, например, неметаллических порошковых, каучуковых или других полимерных покрытий, а также металлических покрытий (например, гальванических), однако это увеличивает стоимость самих труб и, кроме того, надежность этих покрытий не всегда высока.
Медь Этот материал широко используется в системах водоснабжения. Ей присущи многие свойства углеродистой стали, однако она намного превосходит последнюю по коррозионной стойкости. Тем не менее, несмотря на широкое распространение меди в сфере промышленного и гражданского водоснабжения, из-за присущей ей питтинго-вой (точечной) коррозии, иногда при ее использовании могут возникать проблемы для некоторых типов воды (как горячей, так и холодной).
Питтинговая коррозия медных труб часто связана с наличием пленок или осадков различных веществ в трубопроводных системах. Например, наличие осадков в потоке может ускорять питтинг. Так, было установлено, что в Великобритании в течение 30 последних лет большинство проблем, связанных с питтинговой коррозией, обусловлено наличием на поверхности труб углеродной пленки, оставшейся после процесса их изготовления. В различных обзорах британских геологических служб отмечается корреляция между склонностью к питтингу и некоторыми особенностями химического состава местной воды, которая в последние годы, возможно, и была источником большого числа проблем в Шотландии. Эти проблемы были связаны с точечной коррозией и выходом из строя медных трубопроводов на многих объектах, в частности, в госпиталях и отелях.
Большая скорость водного потока может вызывать и эрозионную коррозию в местах изгибов или других местах с большой турбулентностью, например, в местах скопления осадков или неудачно выполненных соединений. Защита от эрозионной коррозии - это, главным образом, вопрос хорошего конструирования и выполнения монтажа, включая сведение к минимуму мест потенциальной турбулентности в сочетании со всеобъемлющим регулированием скоростей потоков. Если при использовании труб из чистой меди проблемы эрозионной коррозии все же возникают, то возможный подход к их решению может заключаться в замене пораженных участков труб на трубы, изготовленные из более коррозионностойких медных сплавов, например, медно-никелевых, которые дают возможность максимально увеличить скорость воды от примерно 2 м/с для трубопроводов из чистой меди до порядка 4,5 м/с для трубопроводов из сплава 70/30 медь/никель.
Медно-никелевые сплавы Эти сплавы представляют собой материалы, характеризующиеся значительно большей коррозионной стойкостью по сравнению с чистой медью. Некоторые типы таких сплавов, выпускаемые промышленностью, представлены в таблице 13.2; коррозионная стойкость сплава увеличивается по мере увеличения содержания никеля, а при заданном содержании никеля возрастает и с увеличением количества в нем железа.
Как видно из таблицы 13.2, медь и медно-никелевые сплавы имеют значительно меньший предел прочности, чем многие другие металлические сплавы, и это должно найти отражение при проектировании систем трубопроводов, особенно систем транспортировки жидкостей под высоким давлением.
Для воды с большим солесодержанием медно-никелевые сплавы более предпочтительны в применении по сравнению с медью. Сплав 90/10 очень широко используется в системах транспортировки морской воды, но не имеет широкого распространения в системах, предназначенных для рассмотрения в этой главе.
Термин «нержавеющая сталь» включает в себя широкий спектр сплавов, содержащих 11-30% хрома, 0-35% никеля и 0-6% молибдена наряду с возможным содержанием более малых количеств других элементов, например, титана, ниобия и азота. Состав нержавеющей стали определяет кристаллическую структуру и, следовательно, влияет на ее свойства при температуре окружающей среды. Так, нержавеющая сталь может быть ферритной, аустенитной, мартенситной или аустенитно-ферритной (представляющей собой смесь аустенита и феррита).
Хром - наиболее важный элемент сплава нержавеющей стали, обусловливающий формирование ферритной структуры. Как можно видеть из диаграммы состояния, представленной на рис. 13.1, сплав железо-хром с более чем 12% хрома сохраняет фер-ритную структуру при всех температурах вплоть до температуры окружающей среды. С другой стороны, никель стремится придать стали свойства аустенита и, таким образом, ориентировочно можно полагать, что увеличение никелевого компонента должно смещать гамма-петлю, представленную на рис. 13.1, дальше вправо и вниз, приводя к образованию сплава, который полностью является аустенитным при температуре окружающей среды, если только не компенсировать это посредством одновременного увеличения содержания хрома. Ферриты (12-30% Сг, 0-4% Ni, 0-4% Mo, низкое содержание углерода) Ферриты не являются высокопрочными сталями (предел текучести 275^115 Н/мм2), но они имеют хорошую ковкость (пластичность) и способность к холодному формованию. Они не поддаются закалке при высокой температуре и только незначительно закаливаются при применении обработки холодом. Недавние разработки привели к тому, что промышленность стала выпускать нержавеющую сталь с малой склонность к образованию трещин, т. е. с очень низким содержанием углерода и азота (менее чем 0,04%> С + N), с улучшенной ковкостью, прочностью (ударной вязкостью) и свариваемостью.
Аустениты (17-27% Сг, 8-35% Ni, 0-6% Mo) Количество никеля, требуемого для производства полностью аустенитной структуры при комнатной температуре, уменьшается по мере увеличения содержания углерода. Аустениты не могут закаляться при тепловой обработке, но могут подвергаться упрочнению при холодной обработке. При комнатных температурах предел прочности лежит в диапазоне 207-1380 Н/мм2 в зависимости от состава и продолжительности холодной обработки. Аустениты также проявляют хорошую ковкость и ударную вязкость и являются, в основном, легко свариваемыми. Обычно они обладают высокой коррозионной стойкостью за исключением подверженности к коррозионному растрескиванию, вызываемому хлоридами (ферритные сплавы менее уязвимы к коррозионному растрескиванию). В противоположность ферритным маркам сплавов, азот оказывает благоприятное воздействие на стабильность и прочность аустени-тов, и поэтому в некоторых недавно разработанных аустенитных марках нержавеющей стали его концентрация составляет примерно 0,2%о.Аустенитно-ферритные сплавы (18-27% Сг, 4-7% Ni, 2-4% Mo) Эти сплавы имеют повышенный предел прочности по сравнению с аустенитными. Они и были разработаны для этой цели, однако их коррозионная стойкость аналогична коррозионной стойкости как аустенитных, так и ферритных нержавеющих сталей. Аустенитно-ферритные сплавы часто содержат до 0,25% азота и их можно использовать для цилиндрических заготовок (корпусов аппаратов) и трубок теплообменников, а также компонентов насосов и трубопроводов, эксплуатируемых в жестких условиях.
Все типы нержавеющих сплавов характеризуются значительно большей коррозионной стойкостью по отношению к большинству эксплуатационных сред, чем обычная углеродистая сталь. Это свойство нержавеющих сталей обусловливается наличием на их поверхности тонкого защитного слоя, обогащенного окисью хрома. Такая исключительная коррозионная устойчивость является особым признаком всех нержавеющих сталей и определяет возможности их использования без угрозы возникновения эрозионной коррозии при гораздо более высоких скоростях потока, чем это возможно для материалов на основе меди, которые обсуждались в предыдущем разделе. С другой стороны, нержавеющие стали оказываются гораздо более чувствительными к щелевой коррозии и к питтинговому разъеданию в условиях отсутствия движения среды, но различные марки нержавеющих сталей проявляют значительное различие в стойкости к таким локальным формам проявления коррозии.
В самых общих чертах можно сказать, что устойчивость нержавеющей стали к локальным формам коррозии возрастает с увеличением содержания хрома и молибдена в ее составе (но, к сожалению, также возрастает и ее стоимость).
Подробные характеристики промышленных нержавеющих сталей представлены в табл. 13.3. Все они могут использоваться в системах транспортировки воды, но для наиболее соленых вод предпочтительны аустенитные сплавы с содержанием примерно 18Сг и 10N1. Два наиболее распространенных образца таких сплавов (обычно имеющих американскую маркировку) представляют собой аустенитные нержавеющие стали марок 304 и 316 с типичным составом, представленным в табл. 13.3 и немного более детально описанных ниже.
Финишная обработка поверхности нержавеющей стали Как описывалось выше, коррозионная стойкость нержавеющих сталей обусловлена пассивирующим воздействием обогащенной окисью хрома пленки, которая образуется самопроизвольно на воздухе или еще быстрее в воде. Любое повреждение пассивирующей пленки совершенно очевидно приводит к коррозии. Это может проявляться в виде локальных раковин или более обширных пятен (изменений цвета) - часто похожих на продукты коррозии железа (так называемый «феномен крокуса»). В системах чистой воды общие потери металла из-за этого явления фактически не вызывают серьезных проблем, связанных с повреждениями или выходом из строя элементов систем трубопроводов, но процесс такой коррозии может стать недопустимым источником загрязнений конечного фармацевтического продукта или электронного устройства. Производственные процессы могут вносить свой вклад в аналогичные коррозионные проблемы как за счет нарушения или повреждения пассивирующей пленки, так и за счет других поверхностных воздействий и повреждений. К таким проблемам относятся:
• Глубокие царапины, вдоль которых во время эксплуатации может развиваться коррозия;
• Вкрапленные частицы железа, появляющиеся при использовании стальных проволочных щеток. Эти частицы впоследствии сами будут подвергаться коррозии и инициировать коррозию лежащего ниже слоя нержавеющей стали;
• Накопление и пришлифовка (вкрапление в металл) абразивных включений (обломков, осколков);
• Сварка, которая может оставить окалину от электродов, следы воздействия дуги (кратеры), брызги от сварки, цвета побежалости - все это может стать причиной повреждения защитной пленки и возникновения дефектов в виде трещин;
• Наличие органических загрязнений, таких как жир, масло, следы маркировки краской или мелом, а также липкая лента могут способствовать возникновению питтинговой или щелевой коррозии.
Изложенное выше указывает на то, что процедуры послемонтажной очистки должны являться частью надлежащей производственной практики. И в качестве меры предосторожности покупателю следует включать этот пункт в контракт. Возможные методы очистки обсуждаются ниже.
Непрерывная разработка новых полимерных материалов, продолжавшаяся в последние несколько десятилетий, продемонстрировала, что чрезвычайно широкий круг «пластиков» может использоваться в качестве материалов для трубопроводов. Все эти полимерные материалы состоят из гигантских молекул с каркасом на основе атомов углерода и водорода, но часто содержат и атомы других элементов, которые, будучи встроенными в полимерную цепочку, способны придавать веществам исключительные свойства. Полимеры часто подразделяют на два класса - термопластичные (или термопласты) и термореактивные (или термореактопласты).
Термопластичные полимеры состоят из линейных молекул с сильными внутримолекулярными связями, но слабым межмолекулярным взаимодействием. Это обусловливает относительно низкую прочность материалов на их основе, но их низкая стоимость и способность к пластическим деформациям предоставляет очень широкие возможности для легкой переработки путем экструзии в формовые изделия, например трубы.Термореактивные полимеры обладают более разветвленной в пространстве трехмерной структурой, которая обусловлена либо более разветвленной структурой индивидуальных молекул, либо введением поперечных сшивок в линейную структуру последних. Оба пути модификации полимеров дают возможность увеличить их прочность, которая еще более возрастает при умеренной термообработке. Следовательно, термореактивные полимеры являются более подходящими для изготовления опорно-несущих элементов, чем термопластичные, однако обычно их гораздо труднее обрабатывать.
Большинство полимеров, используемых для изготовления труб, являются термопластами, но некоторые соединительные детали и клапаны могут изготавливаться из термореактопластов.
Одной из отличительных черт полимерных материалов является присущая им высокая устойчивость к коррозии (или «деструкции») - этим термином обычно пользуются при обсуждении устойчивости полимеров ко многим водным растворам слабых кислот, оснований и солей. Тем не менее, следует особо подчеркнуть, что опасно слишком полагаться на эту общую характеристику. Полимеры довольно часто подвергаются деструкции, хотя механизмы этих процессов отличны от механизмов, связанных с коррозией металлических материалов.
Некоторые процессы деструкции полимеров могут протекать чрезвычайно быстро, приводя к значительным разрушениям изделия. Такие механизмы могут включать: (а) непосредственное быстрое и сильное химическое воздействие на полимер, вызывающее деструкцию длинных цепей молекул и приводящее к разрыву последних на цепочки коротких сегментов, или (Ь) процессы воздействия растворителя, в котором молекулы полимера легко растворяются. Примером таких химически агрессивных веществ, которые могут стать причиной быстрого разрушения полимеров, являются кислоты с высокой окисляющей способностью. В исследовании, предпринятом автором, полное разрушение полимера, армированного стекловолокном, происходило менее чем за один час при погружении в дымящую азотную кислоту. Другим примером является эффект быстрого растворения поливинилхлорида под действием некоторых органических реагентов, например, ацетона или трихлорэтилена. Очевидно, что устойчивость к воздействию таких агрессивных веществ и растворителей сильно зависит от типа полимера; этот вопрос будет обсуждаться в этой главе ниже.
Другие процессы деструкции полимеров по своей природе являются длительными. Одним из таких процессов является «гидролиз», который заключается в разрушении полимерной цепочки под действием ионов (ОН)" из окружающей среды. Примером, хорошо иллюстрирующим это явление, является окисление ацетата целлюлозы мембран обратного осмоса при значениях рН, превышающих 7. Другой механизм деструкции - это «пластификация» и «растрескивание под действием внешних факторов». Первый из них вызывает постепенное размягчение материала, а последний подобен растрескиванию металлов под нагрузкой, хотя может также включать и процессы усталости. Похоже, что механизм растрескивания под нагрузкой заключается в разрушении межмолекулярных связей без размягчения материала. Представленный пример иллюстрирует воздействие NaOH на поливинилиденфторид (см. далее). Хорошо известно, что характеристики усталости металлических материалов в значительной степени зависят от окружающей среды, и то же самое можно сказать о полимерах. Таким образом, явно обнаруживается недостаток исходных данных для проектирования из термопластов трубопроводов, эксплуатируемых под нагрузкой.
Ниже описываются некоторые полимерные материалы, хорошо зарекомендовавшие себя для изготовления различных изделий и элементов трубопроводов, в том числе и для монтажа трубопроводов воды широкого спектра назначения. Как и некоторые другие полимеры (фторполимеры), они слишком дороги для использования в обычных водопроводных сетях, но привлекательны для применения в целях, рассматриваемых в этой главе.Этот материал очень широко используется в промышленности для систем распределения воды и газов, особенно там, где не требуются высокие нагрузки, т. е. отсутствуют высокие давления и/или не используются трубы большого диаметра.
Контролируя условия процесса полимеризации, можно получать ПЭ с различной плотностью - в интервале от 0,91 г/см3 (полиэтилен низкой плотности - low density polyethylene) до 0,96 г/см3 (полиэтилен высокой плотности - high density polyethylene). По мере увеличения плотности увеличиваются такие показатели, как точка размягчения, прочность при разрыве, абразивная стойкость и общая стойкость к химическим реагентам при комнатных температурах, при этом уменьшается водопроницаемость.
Соединения полиэтиленовых труб между собой и труб с фитингами можно выполнять путем термического сплавления, в процессе которого концы труб и/или патрубки фитингов, предварительно нагретые, с усилием соединяются вместе.
Особым типом ПЭ является ПЭ сверхвысокомолекулярный (ultra-high-molecular-weight polyethylene). Он имеет очень длинные молекулярные цепи и молекулярную массу свыше трех миллионов (по сравнению с молекулярной массой порядка 500 ООО для марок обычного ПЭ, описанного выше). Такая структура экстремально длинных цепей придает материалу очень высокую химическую инертность, включая чрезвычайную устойчивость к растрескиванию под нагрузкой, и значительно улучшенные механические свойства материала (например, большую ударную прочность). Тем не менее, ПЭ сверхвысокомолекулярный не обладает такими же термопластичными свойствами, как ПЭ обычных марок, и технические изделия из него по свойствам более похожи на изделия из термо-реактопластов, изготовленных методом поршневой экструзии, литьем под давлением и финишной механической обработкой.
Все марки ПЭ чрезвычайно чувствительны к действию ультрафиолетового (УФ) излучения, например, солнечного света, под действием которого происходит деструкция полимера. Поэтому в ПЭ могут вводиться стабилизаторы ультрафиолета (например, углерод); другим вариантом, ограничивающим или исключающим воздействие на полимер УФ-излучения, является его защита покрытиями, поглощающими это излучение. Такие покрытия должны разбавляться водой и не содержать растворителей, поскольку некоторые типы органических растворителей могут разрушать полимер.
Фторполимеры Это группа полимеров, в которой атомы фтора замещают атомы водорода в полимерной цепи. Фтор является самым сильным электроотрицательным элементом среди галогенов и поэтому образует наиболее прочную связь с атомом углерода (намного прочнее, чем связь углерода с водородом в других полимерах), которая ответственна за чрезвычайно инертные свойства всего класса фторполимеров. Свойствами, отличающими фторполимеры от других полимеров и делающих их предпочтительными, являются отсутствие боковых ответвлений и относительно высокая степень кристалличности. В табл. 13.5 представлен перечень торговых марок фторполимеров, выпускаемых промышленностью.
Некоторые фторполимеры полностью фторированы и обладают очень высокой термической и химической стойкостью, превышающей аналогичные свойства частично фторированных полимеров. Последние из двух названных типов полимеров содержат некоторое количество атомов водорода, в присутствии которых возрастают силы межмолекулярного взаимодействия между отдельными длинноцепными молекулами, что повышает механические свойства полимера при комнатной температуре по сравнению с полностью фторированными аналогами.Хотя ПТФЭ обладает относительно низкой прочностью (см. табл. 13.1), он: (а) -имеет чрезвычайно низкий коэффициент трения, (Ь) - имеет исключительно высокую термостойкость, превышающую термостойкость практически любого другого промышленного полимера и (с) - является химически инертным к предельно широкому ассортименту химических веществ, включая агрессивные кислоты, например, HCI, HN03 и H2S04 (некоторое исключение составляют щелочные металлы, треххлористые и трех-фтористые соединения, а также газообразный фтор при повышенных температурах и давлении). ПТФЭ обладает значительно более высокой стойкостью к воздействию широкого спектра как неорганических, так и органических веществ, превышающей химическую стойкость любого упомянутого выше полимера. Он широко применяется как для бытовых и хозяйственных нужд, так и в промышленности. Тем не менее, высокая стоимость ПТФЭ ограничивает его применение только трубопроводами для транспортировки жидкостей высокого качества, например, конечного продукта в системе подготовки сверхчистой воды.
Хотя этот полимер является термопластом, он не может подвергаться обработке традиционными методами плавления, например, обычной экструзией или инжекцион-ным литьем. Общепринятым методом его переработки является сжатие под давлением и спекание композиции (примерно при 330°С), залитой либо в конечную форму, либо в форму, предназначенную для механической обработки. Стержни, трубки и другие длинные изделия можно изготовить экструзией под давлением из гранулированной смеси.
Все эти процессы технически весьма затруднительны, и, несмотря на превосходные свойства ПТФЭ (перечисленные выше), необходимость в разработке фторполимеров, способных перерабатываться в расплаве, существует.