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        純水設備知識:工藝冷卻水管道的選擇

        2022-09-14 08:54:42      點擊:

        純水設備www.learnsms.com半導體、TFT-LCD等行業的工藝冷卻水系統為避免工藝設備冷卻盤管的結垢及堵塞,對工藝冷卻水水質提出了要求。

          以某半導體廠工藝冷卻水設計水質為例:電阻率>30 kΩ• cm硬度<0.5德國度因此工藝冷卻水管道的選擇主要考慮兩個方面的要求,一方面是對水質的要求;另一方面是對管道腐蝕的要求純水設備。

          工藝冷卻水管道主要有不銹鋼管道及塑料管道兩種。

        1)不銹鋼管道

          根據工藝冷卻水的水質要求,SS304不銹鋼管即可滿足要求,但是半導體、TFT行業通常采用純水制備過程中產生的反滲透(RO)出水作為工藝冷卻水的補充水源,而RO出水根據純水制備工藝流程的不同其酸堿度也有所不同。當水的pH值呈中性或弱堿性時,可采用SS304不銹鋼,當水的pH值呈酸時(RO出水在不加堿的情況下通常呈酸性),需采用抗酸性好的SS304L不銹鋼。

          根據不同工程的調研發現,不銹鋼管道的腐蝕均發生在接口處及管道的底部。分析其主要原因,接口腐蝕主要在于焊接過程中未采用氬弧焊接而造成的氧化層破壞,使氧化層下的不銹鋼金屬鉻合物造成腐蝕。管道底部腐蝕主要是由于管道沖洗時采用自來水,而自來水中含有較多的余氯,沖洗后管道內的水未及時排空,造成了在局部管段的集水,當管道施工驗收完畢后較長時間系統未投入運行,則容易造成不銹鋼的氯腐蝕,不銹鋼中的氯離子腐蝕是應力腐蝕,在“奧氏體不銹鋼-CL”中,溶液中氧的存在是促進金屬的鈍化,而氯離子則破壞金屬的鈍化,同時進入裂縫的尖端,構成鹽酸,使腐蝕加劇。

          所以不銹鋼管道選擇時需考慮一定的腐蝕余量,應至少選用壁厚等級為Sch-10S級的產品,并采用正確的焊接方式,純水設備且在管道沖洗后應將管道內的水放空、吹干。

        2)塑料管道

          根據工藝冷卻水的水質要求,PVC管道即可滿足要求。常用的PVC有兩種,硬質聚氯乙烯(PVC-U)由聚乙烯單體聚合而成的一種熱塑性高分子化合物;氯化聚氯乙烯(PVC-C)由聚氯乙烯樹脂氯化得到的一種獨特的聚合物。由于PVC管道有較強的耐腐蝕性,故而即使水質呈弱酸、弱堿性,也不會造成管道的腐蝕。實驗室純水設備

          但塑料管道需注意工作壓力的問題,由于工藝設備內的冷卻管道管徑小而造成了較大的水頭損失,故而,工藝冷卻循環水系統的工作壓力較高,在管道的選擇時應根據應力計算確定管道的壓力等級。特別需注意的一點是管道的壓力等級并不等于設計管道的允許工作壓力。管道應力公式

        式中:P為管道允許的工作壓力(MPa);

                  d為管道外徑(mm);

                  e為管道壁厚(mm);

                  C為設計系數;

                  σ為管道應力(MPa)。

          PN16 PVC-U管道為例,管徑110 mm×8.1 mm,管道應力15.5 MPa,設計系數2.5,液體溫度40℃。

         由此可見雖然管道的壓力等級為PN16,但該管道的允許工作壓力為9.86 MPa。

          因此,通常選擇Sch80-PVC管應用于工藝冷卻水系統。Sch-80ASME(美國機械工程師協會)的壁厚標準,Sch就是“schedule”,管道的壁厚等級。Sch是設計壓力與設計溫度下材料的許用應力的比值乘以1000,并經圓整的數值。即:

        Sch.P/〔ó〕t ×1000

        式中:P為設計壓力(MPa);〔ó〕

          t為設計溫度下材料的許用應力(Mpa)。

          管道表號(Sch)并不是壁厚,是一壁厚系列。

          同一管徑,不同的管道表號,其壁厚不同。Sch愈大者管壁愈厚。

          PVC管道存在大口徑管道難以采購,且施工困難的缺點,故而PVC管道通?蓱糜谛∮DN100的支管,純水設備干管仍采用不銹鋼管,兩種管道采用法蘭連接。由于小管徑的Sch80-PVC管的價格較不銹鋼管低,故而可節省投資。

          隨著新型管材的大量推廣和應用,在應用時應特別 注意管道的腐蝕性問題及管道接口問題。由于工藝冷卻水通常采用RO出水或軟化水作為補充水源,其存在一定的腐蝕性,管道內壁必須有足夠的抗腐蝕性。很多管道本身抗腐蝕性沒有問題,但管道接口處理不好容易造成接口處的腐蝕。比如,鋼襯不銹鋼管道,接口不能保證水不與非不銹鋼部分的完全隔離;鋼襯塑管道、鋼涂塑管道,無論是絲扣連接、卡環連接、溝槽連接還是法蘭連接均不能保證外層金屬與水的完全隔離。

            純水管道的選擇

          電子超純水通常為電阻率>15 MΩ•cm25℃)的純水,而此時電阻率已經不是重要的因素,需根據其他指標的要求進行具體分析。

        1)管材性能比較

          選擇管材的依據主要是管道的溶出物(見表1)及內表面光潔度。主要應用的管道有Clean-PVC管、潔凈PP管、PVDF管幾種。Clean-PVC管采用耐沖擊硬質聚氯乙烯制造,其比普通PVC管含有較少的添加劑。從而減小了管道內壁的粗糙度(Clean-PVC管的表面粗糙度小于0.37 μm,而普通PVC管的表面粗糙度在1.0 μm)以及污染物的析出。制造商主要有“積水國際貿易有限公司(SEKISUI)”、“日本旭有機材株式會社(ASAHI AV)”。潔凈PP管材質為(β)-PP-H均聚型聚丙烯,具有非常均一、致密的結構和出眾的抗沖擊強度。其高結晶度確保了極好的耐化學品性能,二氧化鈦色素的使用進一步提高了此特性。其內壁粗糙度及污染物的析出性能與Clean-PVC接近。制造商主要有喬治.費歇爾管路系統有限公司(+GF+)。PVDF管材質為聚偏二氟乙烯,是一種高結晶度,純水設備高性能熱塑性塑料,可用溫度/壓力范圍廣。其主要特性是力學強度高、韌性好、具有優異的耐磨性、熱穩定性和介電性,其純度高,能熔融成型,對于大多數化學品和溶劑都具有很好的耐腐蝕性、抗紫外線和核輻射性能好、耐候性好、耐生物菌類的作用、氣體和液體阻隔性好、阻燃性好、發煙量少等優點。聚偏二氟乙烯是一種純凈的材料,它不含任何添加劑,且其表面光滑,粗糙度小于0.2μm。制造商主要有喬治•費歇爾管路系統有限公司(+GF+)、奧地利AGRU公司。

        管材選擇    以幾種典型電子潔凈廠房用純水進行比較(見表2)。

         類似于6英寸半導體前工序、TFT-LCD的水質可選擇Clean-PVC管或潔凈PP管。

          Clean-PVC管從80年代即應用于半導體行業,現在在純水中得到了廣泛的應用。其優點在于由于得到了廣泛的應用,故而供應商都有一定量的庫存,所以交貨周期較短,安裝技術也比較簡單,通常進行半天的教室和現場培訓即可。其缺點在于,管道的粘結和安裝的質量。這也是眾多的半導體廠中有大量的PVC管道系統失效和漏水問題的原因。PVC管路系統失效主要是粘結質量不好所造成的,PVC的連接方法主要是膠水粘接,這要求膠水能使粘接部位的表面軟化,軟化部位然后被壓緊,它的粘接質量同操作人員的技術的相關性非常大,而且不同的人及不同部位的粘接質量一致性很差。粘接要求有足夠的膠水被涂上并且均勻性要求非常好,管路和管件的粘接部位要非常干凈且光滑,并且管路要求完全地插入管件。但是由于插入粘接的特性,實際粘接部位是看不見的,缺陷可能存在,并將對整個系統造成極大的風險。實驗室純水設備

          由于PP是熱熔焊接的,所以沒有PVC那樣擔心的沾污,如粘接溶劑和其他有機溶劑等在PVC管道中經常使用的穩定劑。純水設備而這些粘接劑及有機溶劑會產生有機物沾污(TOC)。另外,PP管道的紅外熱熔焊接采用計算機控制避免了人工操作的質量參差不齊,并能對焊點進行100%的檢查。這使得PP管道相對于Clean-PVC在安裝質量上更有保證。但是PP管道在管路/管件的價格及安裝費用上要高于Clean-PVC。

          根據英特爾遍布全球的封裝測試廠的報告,每年都有大量的PVC管路系統失效和漏水問題,失效是由多種原因引起的,其中就包括不適當的粘接,缺少支撐,安裝過程中沒有對準所引起的沖擊等。因此在英特爾新建的封裝測試廠已開始廣泛采用潔凈PP管取代Clean-PVC作為首選管材。

          類似于8英寸半導體前工序或更高水質要求的以PVDF管道為主。

          如表2所示,8英寸半導體對純水水質指標的要求相當嚴格,Clean-PVC及潔凈PP已不能滿足其要求,而PVDF管道的溶出物及管道內壁光潔度都遠強于Clean-PVC及潔凈PP,故而只能選擇PVDF管道。在國內的半導體生產中也有8英寸采用Clean-PVC管道的成功案例,但經過實測分析后發現,這類生產廠的產品都是從6英寸升級至8英寸的,也就是在6英寸純水管道系統運行若干年后升級為8英寸的,而Clean-PVC管路系統經過長時間運行后,其溶出的離子呈逐步減少的趨勢。以某電子廠為例,一期廠房純水系統未設置專門的除TOC紫外線燈,僅依靠制備過程中對TOC的去除,在運行了若干年后,其回水管道TOC可以達到15ppm,而二期新建的純水系統,設置了專用的除TOC紫外線燈,在系統開始運行階段的站房出口TOC,也只有50 ppm。正是由于這種特性,所以純水系統在投產前需經過相當長時間的沖洗運行。所以在從6英寸升級到8英寸的生產中,經過若干年沖洗的Clean-PVC管道也是有可能達到使用要求的。而PVDF管道可以在短時間內沖洗到較低的指標,如表3所示。為了節省初投資,純水回水管道可以采用Clean-PVC或者潔凈PP管代替PVDF,由于純水回水需經過拋光系統的再次處理,所以即使回水中有較多的溶出物也不影響供水的水質,只是會影響拋光系統的維護費用,但長時間運行后維護費用的差別會逐步減小。

          綜上所述,筆者認為,對水質有較高要求的電子潔凈廠房的工藝冷卻水,管道應首選Sch-10S級不銹鋼管及Sch80-PVC管。

          類似6英寸半導體前工序及TFT-LCD廠房的水質,可使用Clean-PVC與潔凈PP管道,但潔凈PP在連接方式及施工質量上有明顯的優勢,故而,潔凈PP管可以代替Clean-PVC在純水系統管道中得到更廣泛的應用。

          類似8英寸及12英寸半導體廠房的水質,需采用PVDF管道作為首選。由6英寸升級到8英寸半導體水質的管道系統,可采用已運行多年的Clean-PVC管路系統而不必更換成PVDF管路系統。蘇州皙全皙全純水設備公司可根據客戶要求制作各種流量的純水設備,實驗室純水設備,GMP醫用純化水設備,半導體超純水設備。 


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