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 ‘вода’
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Первым из критериев, которые должны быть рассмотрены в процессе выбора, является способность поставщика производить газ, качество которого соответствует требованиям процесса. В Великобритании основные компании-поставщики газа способны решить эту задачу созданием производства на месте потребления (on-site) или поставками со стороны (off-site). Усовершенствование методов заполнения цистерн (танков) и способов доставки свели к минимуму некоторый риск загрязнения, ранее свойственный привозному жидкому азоту. Следует также принять во внимание, что при производстве на месте потребления обычно используются испарители (газификаторы), которые могут работать на привозном жидком азоте или жидком азоте, производимом на месте. Поэтому, чтобы постоянно гарантировать качество газа, привозной жидкий азот должен соответствовать качеству газа, которое достигается производством на месте потребления.
Объем
На выбор способа снабжения азотом заметно влияют объемы его потребления, однако другие факторы могут иметь еще большее значение. Если объемы потребления невелики (например, менее 500 м7час), то это обычно исключает создание производства азота на месте потребления. По мере того как требуемые объемы растут, вариант производства азота на месте потребления становится намного более привлекательным в экономическом отношении. Могут существовать и другие условия, которые позволят отдать предпочтение «местному» варианту, например, возможность поставки местного сверхчистого жидкого азота.
Бесперебойность поставок
Полупроводниковая промышленность преимущественно полагается на специализированные газовые компании, чтобы обеспечить свои потребности в азоте прямым соглашением на поставку. Имеется несколько типов контракта, зависящих от местных ограничений и индивидуального предпочтения. Два фактора вносят вклад в общую стоимость обеспечения азотом: затраты на аренду оборудования, размещаемого на месте потребления, и стоимость хранилища для жидкого азота. Производство на месте потребления требует высоких капиталовложений и эксплуатационных затрат на обслуживание, и, следовательно, приводит к более высокой себестоимости. Энергозатраты для этого варианта также выше, поскольку полупроводниковая компания обычно должна сама обеспечивать производство азота энергией и охлаждающей водой. С другой стороны, при собственном производстве требуемое количество привозного жидкого азота минимально, и потребность в нем возникает главным образом только во время профилактических остановок. Пока размер завода, который должен быть установлен для стороннего производства, значительно меньше, и это приводит к более низкой себестоимости, весь применяемый азот следует получать из привозного жидкого азота. Стоимость его закупки будет зависеть от затрат газовой компании, которые включают стоимость транспортировки, затраты на энергию и их собственные издержки для обеспечения требуемых объемов поставок.