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.
Архив
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.