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.
Сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниповыми эфирами является сополимером на основе линейных молекул ПВДФ, которому таким образом придаются многие свойства, присущие последнему, включая исключительную химическую инертность. При этом облегчается его переработка, например экструзией. Сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами, как уже отмечалось, обладает едва ли не универсальной химической стойкостью при нормальной температуре окружающей среды в сочетании с высокой устойчивостью к растрескиванию под воздействием внешней среды. При высоких температурах он чувствителен к воздействию некоторых внешних факторов, например, жидких щелочных металлов, фтора и некоторых галогенсодер-жащих соединений. Помимо экструзии, сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами поддается переработке с помощью инжекционного литья, соединению с помощью сварки и формованию при нагреве. Хотя сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами обычно эксплуатируется при температурах до 250°С, он обладает более низкой прочностью при обычной температуре окружающей среды по сравнению с другими фторполимерами. Действительно, температура его тепловой деформации самая низкая из всех типов фторполимеров. Так, для использования в системах трубопроводов горячей воды он требует упрочнения или применения трубопроводов с относительно толстыми стенками. Он также существенно дороже, чем ПТФЭ и ПВДФ.Имея высокую точку плавления (240°С) и обычно кристалличность порядка 50%, этиден-хлортрифторэтилен обладает хорошей комбинацией свойств с высокой механической и термической стабильностью при температурах эксплуатации до 135-150°С и, подобно фторполимерам, стойкостью к широкому спектру химических соединений. Он обладает относительно высокой ударной прочностью и, как принято считать, менее хрупок при механической обработке и при других возможных поверхностных воздействиях. Его синтезируют традиционными методами получения термопластов и применяют для футеровки емкостей хранения высокочистой воды.
Этилен-тетрафторэтилен. За исключением ПВДФ этот полимер обладает наибольшей прочностью при разрыве среди всех фторполимеров, но имеет гораздо более низкую химическую стойкость по сравнению с ПТФЭ.
Весьма различные механические и физические свойства полимеров (и особенно термопластичных материалов, используемых для трубопроводов) в сравнении с металлами представляют определенные трудности для проектирования систем пластиковых трубопроводов. Двумя такими характерными свойствами, обсуждающимися ниже, являются относительно высокий коэффициент теплового расширения и низкая прочность (особенно жесткость).Как видно из данных, представленных в табл. 13.6, коэффициенты теплового расширения полимеров, рассматриваемых здесь, превышают коэффициенты теплового расширения металлов более чем в пять раз.
Это свойство полимеров при изменении температурных условий может привести к значительно большему растяжению/сжатию изготовленных из них трубопроводов по сравнению с системами трубопроводов из металлов (хотя низкая теплопроводность полимеров может в какой-то мере уменьшить эффект при увеличении температуры внешней среды или жидкости внутри трубопровода). Вероятно, лучшим способом компенсации влияния эффектов расширения/сжатия трубопроводов из полимерных материалов является проектирование линий с регулярной сменой направлений (т. е. с изгибами). Если это условие не соблюдается, то на длинных участках трубопроводов можно использовать петлевые трубные компенсаторы, а в качестве крайнего средства -расширительные сильфоны.Следствием низкой прочности полимеров является то, что пластиковые трубы требуют более частой установки опор. Во время проведения монтажа при расстановке опор для тонкостенных труб из ПВХ, акрилонитрилбутадиенстирола и ПВДФ, заполненных водой, следует руководствоваться данными, представленными в табл. 13.7.
Подвесные опоры не могут ограничить поперечное перемещение полимерных труб, поэтому трубопроводы склонны к тренцеванию (перемещению). Более подходящий тип крепления показан на рис. 13.2. Для предотвращения деформации труб устанавливаемые на них тяжелые клапаны, измерительное оборудование и т. п. должны иметь свои собственные элементы поддержки. Металлические зажимы, хомуты, кронштейны, опоры и пр. должны иметь закругленные края во избежание повреждений пластиковых трубопроводов.
Хорошо зарекомендовавший себя и общепризнанный метод, способствующий увеличению жесткости и прочности полимеров, заключается во введении в полимерную матрицу волокон из стекла и/или углерода.Существует довольно широкий ассортимент термопластичных материалов и композиций на основе полимерных смол, которые можно армировать таким способом, включая ПВХ непластифицированный и акрилонитрилбутадиенстирол, но наибольшее распространение армирование стекловолокном получило для полиэфиров и эпоксидных смол. В некоторых средах (например, в минеральных кислотах) необходимо защитить стекловолокно от их воздействия с помощью внешнего покрытия на основе чистой смолы. Вполне приемлемые по своим характеристикам полимерные материалы, работающие в диапазоне температур до 150°С и армированные волокном, выпускаются несколькими производителями.Долговечность полимеров, армированных стекловолокном (иначе стеклопластиков, часто обозначаемых GRP - glass reinforced polymer или FRP - fibres reinforced polymer), очевидно определяется сроком службы самой смолы, на который накладывается дополнительный аспект возможного разрушения стекловолокна и разрушения связей между стекловолокном и полимерной матрицей под действием внешних факторов. Воздействие на сам компонент из стекла обычно принимается во внимание только тогда, когда материал находится в контакте с сильными кислотами. В чистой и соленой воде при обычной температуре окружающей среды и при чуть более высоких температурах (примерно до 50-60°С) армированный стекловолокном полиэфир, эпоксид и сложный виниловый эфир претерпевают некоторое уменьшение прочности, но обычно это изменение прочности носит умеренный характер и происходит в первые несколько месяцев эксплуатации, после чего наблюдается стабилизация прочностных свойств. На вопрос о применении таких материалов при более высоких температурах эксплуатации поставщики компонентов из полимеров, армированных стекловолокном, иногда заявляют об удовлетворительном характере поведения таких материалов при температурах эксплуатации вплоть до 100-150°С. Но к этим заявлениям следует относиться с осторожностью, если речь идет о применении армированного стекловолокном полимера на основе традиционных связующих смол, например, полиэфирных или эпоксидных.
Преимущественное назначение полимеров, армированных стекловолокном, в системах транспортировки чистой воды - это конструкции емкостей - накопителей (хранилищ) больших объемов, в которых обычно применяют изофталатные типы полиэфирных смол, часто футерованных ПВДФ для того, чтобы обеспечить большую инертность в контакте с чистой водой с целью минимизации загрязнений, генерируемых в результате процессов выщелачивания компонентов из стеклопластика.
Полимерные трубопроводы должны быть расположены таким образом, чтобы свести к минимуму их возможные механические повреждения или неблагоприятные температурные воздействия на них, которые могут возникать, например, в местах непосредственной близости к паропроводам. С этой точки зрения, существенная особенность термопластичных полимеров заключается в том, что их прочность уменьшается с увеличением температуры, а это означает, что, например, допустимые или номинальные значения давления в трубопроводах из таких материалов должны быть снижены для условий эксплуатации при повышенных температурах.
Другой характерной особенностью проявления механических свойств полимеров является так называемая ползучесть. Это свойство не является критичным для трубопроводов из металлов, обсуждаемых здесь, разве только за исключением случаев, когда они эксплуатируются при температурах в несколько сотен градусов по Цельсию (что маловероятно в рассматриваемых целях). Однако полимерные материалы, благодаря свойственным им низким температурам плавления, склонны к ползучести, т. е. деформации под нагрузкой при изменении температурных условий их эксплуатации. Поэтому проблемы, связанные с этим явлением, не только возрастают с увеличением температуры эксплуатации трубопроводов, но могут усугубиться и влиянием химической агрессивности среды.
Несмотря на множество применений, в которых полимеры прекрасно себя зарекомендовали, при неправильной эксплуатации они часто более уязвимы, чем металлы.В особенности это относится к монтажу труб и фитингов, во время которого полимерные элементы могут получить повреждения даже в тех случаях, когда полимер изначально обладает хорошей механической и химической стойкостью и подходит для применения в данном случае. Кроме того, полимеры более уязвимы к воздействию пламени, что может создавать серьезные дополнительные проблемы для здоровья персонала во время горения в замкнутом пространстве.
Соединения любых технологических материалов всегда предполагают прочность, долговечность, герметичность и т. д., но в трубопроводах для высокочистой воды существенную роль начинают играть дополнительные требования:
• Материал соединительного шва по своим свойствам должен быть подобен материалу самой трубы, и не должен содержать выщелачиваемых веществ, которые будут загрязнять воду;
• Соединительный шов должен быть гладким и не иметь трещин, чтобы предотвратить образование колоний микроорганизмов, их рост и жизнедеятельность.
Существует целый ряд методов, пригодных для соединения полимерных труб и других компонентов: склеивание при помощи растворения, резьбовое соединение, механическое соединение с помощью зажима, сварка встык и оплавляемая муфта. С подробностями этих процессов можно легко ознакомиться в общетехнической литературе, и здесь они не будут обсуждаться. Вместо этого будут сделаны комментарии, касающиеся приемлемости применения этих методов к системам транспортировки высокочистой воды.
Первые три процесса из перечисленных выше являются сомнительными в отношении количества потенциально вносимых загрязнений (например, присутствие веществ клеящего материала, применяемого в первом методе, смазочных и герметизирующих добавок, используемых во втором методе, и материала прокладок, используемых в третьем методе). Кроме того, механическое крепление может стать причиной возникновения мелких трещин. Сварка встык и соединение с помощью оплавляемой муфты являются довольно схожими процессами, их различие состоит лишь в том, что в первом из них тепло подводится к поверхностям соединяемых концов труб, тогда как во втором тепло подводится к зоне размещения оплавляемой муфты. Оба этих процесса протекают без внедрения других материалов и поэтому не являются потенциально опасными с точки зрения выщелачивания, но считается, что они не оставляют после себя поверхность, полностью лишенную трещин, например, при сварке встык возможно образование внутреннего валика в месте сварного шва.
Разновидностью сварки встык является способ, в котором используется внутренний эластичный пневматический баллон, размещаемый в области сварного шва; его функция заключается в сохранении центровки и выравнивания внутренней поверхности соединительного шва во время воздействия тепла от внешнего нагревательного устройства с целью получения шва без трещин и наплывов.
В этом разделе будет обсуждаться выбор материалов для различных типов и частей трубопроводов, которые чаще всего используются при производстве высокочистой воды.
Исходная вода
В большинстве случаев исходной является вода из системы коммунального водоснабжения (реже из реки или скважины), и ее химический состав будет меняться в зависимости от местонахождения. Однако по сравнению с конечным продуктом исходная вода будет иметь относительно высокие показатели содержания растворенных солей (примерно от 50 до нескольких сотен ррт), органических веществ, взвешенных твердых частиц и растворенных газов. Главным критерием выбора системы трубопроводов в этом случае должна быть высокая надежность в сочетании с низкой стоимостью.
В трубопроводах для исходной воды обычно используются углеродистые стали. Чугун также пригоден для этих целей, особенно для труб больших диаметров и для водопроводных систем распределения. Эти материалы являются чрезвычайно уязвимыми к коррозионному воздействию во многих водах, особенно в быстрых потоках или в условиях локальной турбулентности (например в коленах труб). В дополнение к уже отмеченным проблемам технического обслуживания коррозия (вследствие попадания ее продуктов в воду) может усложнить дальнейшие стадии процесса очистки воды. Следовательно, с целью увеличения срока эксплуатации систем эти материалы должны быть защищены покрытиями. Для труб большого диаметра (в коммунальных системах распределения) часто используется внутренняя защита покрытиями или полиэтиленовая футеровка. Для труб малых диаметров, имеющих большее отношение к рассматриваемым проблемам, более дешевым методом защиты является гальванизация, особенно по сравнению с покрытием внутренней поверхности труб защитными красками. Тем не менее, гальванизация не всегда является удовлетворительной мерой при длительном сроке эксплуатации.
Как показано ранее, некоторые полимеры по стоимости могут конкурировать с углеродистой статью с защитными покрытиями, но они являются гораздо менее уязвимыми к разрушению под действием химикатов. Следовательно, чтобы свести к минимуму проблемы, связанные с коррозией, наблюдается все возрастающая тенденция использования в трубопроводах для исходной воды полимерных материалов вместо металлических. Возможными вариантами таких материалов могут быть ПЭ, ПВХ или более дорогие, но более прочные и жесткие акрилонитрилбутадиенсти-рольные пластики.