Главная задача распределительной системы заключается в том, чтобы доставить газ от сервисной площадки к технологическому оборудованию без ухудшения его качества. Такие компоненты системы, как трубы и вентили, не должны привносить частицы в газовый поток и должны быть защищены от проникновения загрязнений извне. Система должна быть разработана таким образом, чтобы свести к минимуму возможность возникновения застойных зон, учитывать потерю давления в трубопроводе и обеспечивать требуемую скорость газового потока.
Материалом, который практически всегда применяют, чтобы не только удовлетворить этим критериям, но также обеспечить механическую прочность и коррозионную стойкость, является нержавеющая сталь марки 316L.Дополнительным требованием, действующим в настоящее время, является то, что любые части трубопроводов, вентили или другая арматура, контактирующие с газом, должны быть электрополированы и иметь обработку поверхности лучше, чем Ra 0,40.
Электрополировка Электрополировка - это избирательный процесс электрохимического удаления металла, включающий макро- и микрополирование (макрополирование -это удаление с поверхности следов эрозии, трещин, царапин, посторонних включений, шероховатости, в то время как микрополирование - это удаление очень маленьких неровностей поверхности).
При правильном сочетания состава электролита, тока/напряжения и температуры раствора участки с крупной шероховатостью или области, имеющие высокие плотности дефектов, селективно удаляются с большей скоростью, чем остальная поверхность.
При прохождении тока низкого напряжения через протекающий химический раствор одновременно может проводиться макро- и микрополировка, что позволяет создать максимально гладкую полированную поверхность. Одним из дополнительных преимуществ этого процесса является то, что, поскольку он анодный по природе, из раствора освобождается кислород, который стремится пассивировать поверхность стали, образуя на ней относительно инертную поверхностную пленку.
После электрополировки любые остатки химических веществ должны быть удалены промывкой в деионизованной воде. При использовании для этих целей обычной водопроводной воды некоторые остатки травления могут не удалиться, образуя пятна на поверхности. Поэтому важно, чтобы потенциальный покупатель «чистого» трубопровода проверил, имеет ли его поставщик небольшое производство деионизованной воды для упомянутой выше цели.
Производственным методом, применяемым для соединения компонентов из нержавеющей стали между собой, является орбитальная сварка в инертной атмосфере высокочистого аргона. Параметры каждого сварного шва могут строго контролироваться и быть документированы, чтобы добиться получения герметичных, гладких и не содержащих примесей швов. Особое внимание должно быть уделено всем стадиям производства, чтобы исключить загрязнения, которые может быть трудно или вообще невозможно удалить после сборки системы. Действие этого принципа должно распространяются везде - от упаковки, контроля, очистки и осушки до самой процедуры сварки; большая часть этих операций должна выполняться в условиях чистых помещений.
Вентили Если систему изготавливают из электрополированной нержавеющей стали, то будет логично использовать вентили, которые полностью изготовлены из нержавеющей стали, или вентили, в которых все части, контактирующие с газом, изготовлены из нержавеющей стали. Мембранные вентили обычно предпочтительнее дроссельных, поскольку из последних при работе выделяются микрочастицы. Выбранный вентиль также должен иметь чистые выходные отверстия, размещенные с каждой стороны для удобства сборки и общей очистки системы перед ее использованием.
Вентили должны поставляться производителем в следующем состоянии:
• внутренние поверхности вентиля электрополированы по требуемым для поверхности техническим условиям;
• корпус вентиля и мембрана обезжирены, промыты в деионизованной воде и осушены путем обдувки аргоном;
• очищенный вентиль должен быть упакован в двойную, прочную, свободную от пыли полиэтиленовую упаковку, которая должна быть заполнена аргоном и загерметизирована сваркой; снаружи должен быть приклеен ярлык с указанием даты упаковки.
Необходимо отметить, что при заказе вентилей следует указывать требования к патрубкам, которые должны в точности соответствовать размерам и техническим требованиям материала труб, к которым вентили должны быть присоединены. Если в технических требованиях на вентиль указать различные размеры патрубков на входе и выходе, то такой вентиль может также использоваться в качестве переходника.
Покупатель должен сам убедиться, что процесс очистки, сборки и упаковки в рабочих помещениях поставщика организован удовлетворительно. Для вентилей это более важно, чем для любых других сборочных единиц, поскольку их очистка на месте установки практически нецелесообразна, и даже контроль внутреннего объема фактически невозможен без внесения загрязнений внутрь вентиля.
Фитинги Все фитинги должны быть изготовлены из тех же самых материалов, что и трубы. Фитинги должны быть пригодными для орбитальной сварки, т. е. концевые части, которые будут сварены, должны иметь соответствующие секции, достаточно длинные для того, чтобы их можно было закрепить в фиксаторы орбитальной сварочной машины.
Фитинги также должны быть электрополированы до такой же степени, как и другие детали. Они должны поставляться очищенными и упакованными, причем упаковка должна быть заполнена аргоном под давлением. Фильтрация Удаление частиц путем фильтрации должно быть предусмотрено во всех газовых распределительных системах. В идеальном случае газ должен фильтроваться на входе в газовую распределительную систему (чтобы минимизировать накопление частиц в трубопроводе), а также в каждой точке потребления (как защита от любых частиц, которые могли попасть в линию или образоваться внутри системы). Фильтродержатель должен быть изготовлен из того же материала и иметь внутреннюю поверхность, обработанную аналогично другим компонентам системы. Фильтрующий элемент должен иметь размер пор 0,1 мкм или менее. Выбору фильтра следует уделить особое внимание, и везде, где это возможно, должны быть проведены измерения эффективности фильтра, используя непрерывный контроль частиц в потоке (on-line).
Сборка узлов
Сборка узлов должна производиться или в чистом помещении, или в помещении с зонами однонаправленного воздушного потока, чтобы обеспечить чистоту воздушной среды в области открытого конца трубы. Следует стремиться обеспечить условия, соответствующие классу 10 ООО или более высокому уровню чистоты. Вне чистой воздушной среды все открытые концы деталей должны быть закрыты. Персонал, работающий внутри чистого помещения, должен носить специальную технологическую одежду и обувь и, кроме того, использовать непылящие защитные перчатки при работе с материалами и компонентами системы. Основная идея, которая должна быть принята для этой части работы, заключается в том, что «намного проще сохранить внутренние поверхности чистыми, чем очистить их, когда они загрязнены».
(b) Общая сборка
Все открытые концы сборочных единиц должны быть закрыты и загерметизированы в пластиковую упаковку вплоть до ее вскрытия на участке, где все элементы должны быть соединены с основной системой. Этот участок должен поддерживаться в условиях максимально возможного уровня чистоты, чтобы свести к минимуму возможные загрязнения. В некоторых случаях (если сварка компонентов проводится на месте) можно использовать портативную установку очистки воздуха с НЕРА-фильтрами. Однако ограничение по габаритам и близость к другим технологическим трубопроводам большого диаметра могут препятствовать ее применению для многих конструкций.
При проведении любых сварочных работ должна поддерживаться необходимая скорость подачи чистой среды в течение достаточного времени, чтобы гарантировать отсутствие застойных зон около участка сварки. Чтобы определить это время, может быть полезным применение портативного анализатора кислорода.
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.