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.
Posts Tagged ‘сталь’
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.
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.
По мере того, как вода проходит через последовательные стадии сложного процесса очистки, которые представляют собой современную систему получения высокочистой воды, происходит увеличение ее стоимости. Кроме того, она становится все более и более восприимчивой к загрязнениям продуктами коррозии и деструкции, протекающими с умеренными (или даже малыми) скоростями. Поэтому материалы для изготовления трубопроводов с наиболее высокими эксплуатационными качествами становятся более востребованными, чем в случаях, рассмотренных в предыдущем разделе. Вообще говоря, углеродистая сталь или чугун не должны быть приоритетными для рассмотрения, хотя иногда трубопроводы из таких материалов могут найти применение в сочетании с ионообменными смолами или угольными фильтрами, расположенными на выходе из системы. В подобных случаях стальные трубопроводы и стальные емкости, включая многоцелевые фильтры со слоями активированного угля, а также некоторые ионообменные колонки могут быть футерованы резиной. При выборе материалов для изготовления основной части трубопроводов, используемых для описываемых целей, преимущество следует отдавать полимерам, например таким, как ПВХ непластифицированный, акри-лонитрилбутадиенстирол, ПП или стеклопластик. Существует много примеров использования двух первых материалов из этого ряда в системах получения высокочистой воды, по крайней мере, до финишного ионообменника со смешанным слоем.
Однако в местах, где требуется повышенная прочность, необходимо использовать металлические трубы. Одним из примеров являются стенки корпуса установки высокого давления обратного осмоса, где, как правило, используется нержавеющая сталь 316L, характеризующаяся высокой прочностью и хорошей коррозионной стойкостью, присущей этому типу сталей. И все-таки эта марка стали не всегда представляет собой оптимальный вариант, поскольку критическим параметром часто является стойкость к пит-тингу (точечной коррозии) и щелевой коррозии. Последний тип коррозии является наиболее вероятным в местах соединения (например, разборных уплотнительных колец с ручной затяжкой) труб между собой или с насосом, а также с ячейкой обратного осмоса, но может протекать и в местах дефектов сварки.
Для данной марки нержавеющей стали преобладание точечной или щелевой коррозии возрастает с увеличением общего содержания растворенных в воде твердых веществ (и особенно с увеличением концентрации хлоридов), а ее устойчивость к таким локализованным формам коррозии возрастает с увеличением содержания в стали хрома и молибдена. Практика показывает, что сталь марки 316 (а, следовательно, и 316L) является подходящей для всех случаев, кроме воды с очень высоким содержанием хлоридов. Если концентрация хлоридов приближается к их концентрации в морской воде, то даже сталь марки UNS NO.8904 эксплуатируется на пределе своих возможностей, и в этих случаях необходимо применять материал, подобный стали марки UNS S31254 (20Cr/18Ni/6Mo). С другой стороны, если на очистку поступает вода с низким общим солесодержанием (TDS), то марка нержавеющей стали 304 (или 304L) может быть приемлема для использования.
Долговечность и устойчивость к внешним условиям наряду с требованием непроницаемости по отношению к газам из окружающей среды являются главными факторами при выборе материала труб для транспортировки высокочистой воды к зачастую удаленным точкам ее использования. Однако первостепенное значение имеет предотвращение загрязнения воды растворимыми органическими или неорганическими веществами, а также локальными очагами генерации частиц. Ключевым моментом в этом отношении является полярная природа молекулы воды, которая придает воде (в особенности чистой) свойства сильного растворителя, в частности, в отношении ионных веществ. Поэтому выбор материалов для труб остается довольно ограниченным, даже когда речь идет о металлических или полимерных материалах с самым высоким качеством, трубы из которых должны иметь очень гладкую непористую внутреннюю поверхность для минимизации адсорбции и выделения частиц, а также участков роста и размножения бактерий. Сохранение гладких поверхностей и предотвращение образования трещин является предметом особой заботы в местах соединения труб.
Материалы труб или соединительных элементов, которые содержат потенциально выщелачиваемые добавки, примеси, пигменты, модификаторы, стабилизаторы, клеи, растворители, герметики или смазочные материалы должны всегда быть объектом пристального внимания. Считается, что пластификаторы служат питательным веществом для роста бактерий.
Хотя ПВХ и акрилонитрилбутадиенстирол использовались раньше для транспортировки очищенной воды, сейчас существуют возражения для применения этих материалов на критических участках, где требуется очень высокая чистота. Известно, что ПВХ выделяет органические соединения (и даже иногда металлические), наличие которых в полимере обусловлено процессом его производства, а акрилонитрилбутадиенстирол может выделять стирол, поэтому соединения трубопроводов, выполненных из обоих материалов методом холодной сварки, могут стать источниками загрязнений. ПП, например, содержит в качестве добавок антиоксиданты или другие вещества, являющиеся вспомогательными в процессе синтеза полимера и которые потенциально являются загрязнителями.
Незначительная коррозия металлических труб может лишить получаемую воду требуемых качеств, и этот факт ставит под сомнение применение труб из металлических сплавов, например таких, как медь/никель, несмотря на промежуточное положение, которое они занимают по ценам среди других материалов. Чтобы сохранить высокое качество, присущее продукту, в настоящее время для новых систем трубопроводов общепринято применять более дорогие материалы, которые характеризуются высокими эксплуатационными свойствами, например нержавеющую сталь и фторопласты. В этом отношении нержавеющая сталь марки 316 (особенно, если она предварительно подвергнута пассивации с целью образования на поверхности защитной пленки окиси хрома) может быть подходящей для многих целей, и ее все еще предпочитают использовать в системах получения чистой воды в фармацевтической промышленности (частично потому, что она хорошо ведет себя при стерилизации паром). Однако система трубопроводов из нее менее удобна для сборки и разборки, чем такая же система из полимеров, и этот фактор также может сократить разрыв между окончательной стоимостью систем из нержавеющей стали по сравнению с системой, выполненной из ПВДФ.
Хотя в прошлом использовался ПВХ, а сейчас все чаще в ходу ПВДФ, главным материалом для трубопроводов высокочистой воды в фармацевтической промышленности остается нержавеющая сталь. Поскольку известны редкие случаи коррозии нержавеющей стали (см. ранее), то вероятна и возможность загрязнения медицинских продуктов Fe, Сг, Ni и т. п. продуктами. По-видимому, такие случаи являются следствием нарушения производственного процесса. Соображения, которые объясняют столь устойчивую традицию выбора нержавеющей стали для изготовления трубопроводов в фармацевтической промышленности, основаны на уверенности в ее поведении при эксплуатации и сомнении в том, что при транспортировке чистой воды при высоких температурах ПВДФ способен сохранить свою стабильность в течение длительного времени.
Что касается выбора подходящей марки нержавеющей стали, то он, как правило, ограничивается выбором между марками 304 и 316, причем последняя обычно более популярна благодаря большей стойкости к питтинговой и щелевой коррозии. Там, где есть сварные соединения, экономным и благоразумным является выбор либо низкоуглеродистой стали марки L, либо разновидностей нержавеющей стали, содержащих добавки Ti/Nb (см. изложенное ранее). К тому же для внутренней поверхности таких труб часто задается требование по электрополировке.
Нержавеющая сталь, ко всему прочему, широко применяется в фармацевтической промышленности и для накопителей - хранилищ очищенной воды, особенно часто для хранилищ горячей (+80°С) воды. Сталь марки 316L иногда предварительно пассивируется, и для этого назначения именно такой вариант является предпочтительным.
Системы подготовки воды
для микроэлектронной промышленности
Хотя случаи использования нержавеющей стали или очень дорогого полимера, например, полиэфирэфиркетона не являются редкостью, последнее время наблюдается явная тенденция применения в системах распределения воды конечной стадии очистки фторполимеров, особенно ПВДФ.
Вопреки относительно высокой его стоимости, ПВДФ является фактически одним из самых дешевых из доступных фторполимеров, чрезвычайно инертным и выпускается в промышленных масштабах и сортаментах. Он может соединяться довольно легко непосредственно путем сплавления без участия растворителя. Обычные трубопроводы из ПВДФ используются на участках, начиная от фильтров смешанного действия и далее. Другие подобные материалы, например, сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами и этилен-хлортрифторэтилен могут применяться, в частности, в качестве фитингов. Первоначальный переход от использования таких традиционных полимеров, как ПВХ, акрилонитрилбутадиенстирол и ПП в сторону ПВДФ был обусловлен экспериментальными данными, полученными в результате изучения относительных скоростей выщелачивания из материалов, выступающих в роли кандидатов для этих целей. Более информативными из этих экспериментов оказались те, которые получены в результате измерения следов веществ исследуемых образцов в реальных условиях транспортировки воды, по сравнению с экспериментами, проведенными в статическом состоянии, заключающимися в выдержке проб в фиксированном количестве воды. Некоторые современные работы по исследованию выщелачивания и других свойств поверхностей трубопроводов, например, склонности к обрастанию, проводили с целью сравнения свойств разных фторполимеров, например, ПВДФ, сополимера тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами и этилен-трифторэтилена. Разные исследования иногда показывают отсутствие явного преимущества других фторполимеров по отношению к ПВДФ. Все же общие характеристики ПВДФ, в смысле механической прочности, способности к обработке, стоимости и срока эксплуатации, послужили причиной того, что ПВДФ является наиболее широко распространенным материалом в системах транспортировки высокочистой воды.
Если речь идет о сложных и больших системах трубопроводов, следует избегать применения чрезмерно дорогих материалов, таких как ПВДФ. Для этих случаев альтернативой ПВДФ становится использование акрилонитрилбутадиенстирола или ПВХ (материалов, которые хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации, как в прошлом, так и сейчас) в сочетании с конечными фильтрами, если требуется устранить какие-либо органические примеси.
В процессе производства интегральных схем полупроводниковые пластины требуют обработки различными кислотами, такими как серная, фтористоводородная, дымящая азотная и соляная кислота. Другой агрессивной жидкостью, с которой приходится иметь дело, является перекись водорода. Критическое требование, на основе которого производят выбор труб для таких жидкостей - предотвращение коррозии или деструкции труб. Оно выдвигается с целью обеспечения адекватной надежности системы и по соображениям безопасности. Марки полимеров менее качественных сортов, например, ПП, ПЭ, ПВХ и акрилонитрилбутадиенстирол обычно не годятся для эксплуатации в контакте со многими концентрированными кислотами. Хотя нержавеющая сталь типа 316 или более качественных марок (например, 20Cr/18Ni/6Mo) может эксплуатироваться в условиях контакта с серной кислотой и перекисью водорода, она не годится для работы с соляной и фтористоводородной кислотами. Следовательно, можно отметить, что в общем наблюдается тенденция выбора высококачественных марок полимеров, например, ПТФЭ и ПВДФ, для использования в условиях работы с кислотами, но сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами, по некоторым данным, особенно предпочтителен.Технологические трубопроводы для этих целей подробно описаны в главе 12 этой книги, поэтому здесь будет сделано только несколько обобщающих замечаний и наблюдений.С точки зрения старения и окисления металлических трубопроводов, они не должны создавать проблем, поскольку сухие газы оказывают разрушающее воздействие на металлы только при значительных скоростях потока и повышенных температурах (в несколько сотен градусов Цельсия). Главным критерием при выборе материала трубопроводов для газов является предотвращение загрязнения высокочистых газов при их прохождении по трубам, и это требование исключает применение полимеров из-за их частичной воздухопроницаемости.
Что касается медных трубопроводов, которые в прошлом использовались во многих случаях вместе с латунными фитингами, то им присущ один потенциальный источник загрязнения - осадок флюса, используемого при сварке, который не подвержен эффективному удалению без того, чтобы не оставить вместо себя другие загрязняющие вещества.
Следовательно, в настоящее время для современных систем трубопроводов преобладает тенденция выбора нержавеющей стали (такой как 316) с внутренней поверхностью, подвергнутой тщательной, доскональной поверхностной обработке, включающей эяектрополировку. Хотя применение элеетрополировки внутренних каналов трубопроводов является довольно распространенной технологией для многих деталей, она требует специального оборудования и квалификации, поэтому является дорогостоящим процессом. Сейчас электрополированные детали для систем распределения высокочистых газов из нержавеющей стали, включая трубопроводную арматуру и фитинги, выпускаются промышленностью.