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超纯水管道设计和管材选择
作者:管理员    发布于:2016-04-15 16:40:14    文字:【】【】【

超纯水管道设计和管材选择


随着半导体、集成电路的发展,特别是大规模集成电路发展到超大规模集成电路阶段,电路线宽已小于1um以下,对生产过程中所使用的纯水水质更加严格(表1),水质主要指标是电阻率、微粒、细菌和总有机碳(TOC)的要求。




      面对如此严格的水质要求,人们首先把注意力放在采用先进的纯水制造工艺和设备并辅以严格的管理上面,这是非常自然的,但往往忽视了另一重要因素,那就是纯水管道设计和管材选择问题。


      众所周知,大部分工厂的纯水系统都包括中央纯水制取系统和纯水输送和分配系统(图1),也就是说中央纯水制造系统(即纯水站)制出的合格的纯水必须经过纯水输送和分配系统才能送到纯水用户的使用点,而这些纯水管道系统的管道长度,常常是上百米,甚至上千米,由于使用点的分散分配管路也是错综复杂的,作为纯水工作者的任务绝不仅关心在中央纯水站制出合格的纯水来,而且要关心纯水输送和分配系统,最终保证几十个、几百个使用点的水质要求。 

      本文仅就纯水管道的分配方式、管道选择等问题谈一些粗浅看法,以期引起对此问题的重视。


·      纯水管道系统设计

·      纯水输送和分配管道系统是整个系统的重要组成部分,管道系统担负将中央纯水站制出的高质量的纯水以尽量小的水质降低输入给每一个使用地点,如果管道系统设计不当,就会使纯水水质大大下降,甚至把处理系统话费的功夫全部付支东流。由于水的纯度很高极易受到污染,使用点分散而无规律,变化幅度大,使得解决这一问题带来相当大的难度。

首先,应保证纯水管道内的流速,即在管道系统压力损失允许情况下管内流速尽量大,以防管内细菌繁殖、微粒沉积,尽量减小管道溶出物对纯水水质的污染,管道流速一般按下列数据选择:

干管流速  1.5~3m/s

支管流速  1~2m/s

接设备支管流速  0.5~1m/s

其次,在设计纯水管道系统时要解决好防止产生滞水段(俗称“死水”)和“短路”这两大难题。

解决好着两大难题的关键是正确的设计纯水循环管道系统,纯水循环管道不同于一般树枝式管道系统,它不但应有纯水给水管而且还有纯水回水管,在运行上,无论纯水使用水多少,都能保证管道内纯水处于流动状态,真正做到“流水不腐”。

为了即保证纯水管内流速又使纯水回水管中有一定流速纯水系统的供水量应该由两部分组成,即:

纯水系统供水量=设计用水量+循环水量

其中循环水量应为设计用水量的30~50%

纯水循环管道的布置方法有以下几种:

1、单管式

这是一种最简单的纯水循环管道系统,纯水给水管以同一管径或缩小一号管径返回至精处理系统的循环水箱,为保证管道系统工作压力,在接入循环水箱前需加设压力调节阀,接至生产设备的纯水支管应尽量短,有人认为其长度小于4倍支管直径,当然这一点往往难有实现。


在运行中,不管有无用户使用纯水,循环管道都处于流动状态,很明显在这种管道系统中干管是不会有“死水”和“短路”问题的。

这种布置的缺点是:

   (1)  如果供水区域较大,用水点较多时,会造成循环管道过长,当必须保证较高管内流速时,管道水头损失较大,致使动力消耗大,管道初端与末端供水压差较大。

  (2)当出现某一管段渗漏或受到污染时,无法把有问题的管段切开,而必须停止整个系统工作才能检修。

因此,此布置方法仅限于较小的供水区域,大约15~20个用水点,循环管道管径不宜超过DN50。

2、有单独给水喝回水管的纯水循环管道系统

       这种布置方法设有单独的纯水给水干管和单独的回水干管,从纯水给水干管中接出的支管,以类似于上述单管式通过若干个用水设备,回至纯水回水干管。回水干管最后接至精处理系统的循环水箱。由于这种布置方式可以有若干个循环支管,整个系统则可以供给几十甚至上百个用水点用水,每个循环支管在接入回水干管前也应装设压力调节阀。

是一种给水干管与回水干管为反向流的布置方式,其特点是给水干管商的第一个支管是回水干管中的最后一个接入点。很明显,由于给水干管上第一个支管水压比其他支管高,回流路程又短,因此非常容易造成“短路”,相反其它支管就会造成“死水”,显然这不是一个理想的布置,解决的办法应该按图4方式布置,即纯水给水干管与回水干管同向流的布置,其特点是由给水干管接出的第一个支管也是回水干管上的第一个接入管,依次给水支管接入顺序与回水干管的接出次序是一致的。因此每一条流水路线都经历大致一样的长度,使“短路”和“死水”的可能性大大减少了,因此这是一种比较理想的布置方式。


当进行多层工业厂房设计时,由于顶层与底层高差较大,会产生底层水水压过高,回流快而形成底层“短路”、顶层“死水”现象。这时应在每层的支管商加设“流量控制阀”(如图5所示)。流量控制阀的特点是当压力在一定范围内变化时,通过阀的流量基本不变。例如:PLAST-O-MATIC公司生产的FC系列流量控制阀,当水压从0.1MPa到0.85MPa之间变化时其流量的变化小于15%


· 纯水管道选择

1、管道对纯水水质的污染

管材选择对于超纯水系统是至关重要的,因管道原因造成纯水水质下降主要来源于以下几个方面:

(1)  因管道材料中的不纯物质溶解于超纯水中致使水中阳、阴离子增加,电阻率下降以及TOC的增加。

(2)  因管道内壁不光滑及接头、阀门等原因造成细菌滞留繁殖及其他颗粒的聚积,致使水中微粒的增加。

(3)  因管道及阀门不严密引起控制渗入,造成电阻率下降、溶解气体及微粒的增加。

因此在超纯水系统应选择可淬性低、内壁光滑的管道并尽可能减少接头及管件的凹凸不平。要求管道连接严密,严格清洗及安装等工艺,把握住有可能污染超纯水水质的所有环节


2、常用纯水管道材料

在超纯水系统中罪常用的是工程塑料管道,如PVC、PP、ABS及PVDF等,当然在某种场合也有采用不锈钢管道的。

目前尚无完整的对于这些纯水管道材料对超纯水水质影响的比较材料及可靠的测试数据报道。各国有各自的选用习惯。例如美国多采用PVC管,英国多采用ABS管,而欧洲一些国家则常用PP管,而PVDF管大都用于水质要求特别高的纯水精处理系统。

PVC管

PVC管是超纯水中使用最广泛的管道材料。国际上普遍采用美国SPEARS公司的SCH80PVC管道(SCH80位SCHEDULE NUMBER 80的简写,为美国标准管子号,表示管壁厚度系列(耐压力)的号码),PVC管采用承插粘结,故对管外径公差要求较严格。

PP管

国内尚无可用于纯水的PP管,许多引进项目中采用了国外的PP管。

ABS管

ABS管在纯水系统亦有一定范围的使用。但对它的评价各说不一,尚未定论。国内目前在纯水系统较为广泛的使用ABS管。由英国ALGA公司引进的纯水系统采用ABS管,国内亦有厂家生产DN15~DN150的ABS管道、阀门及配件因而得到广泛使用。

PVDF管

目前普遍认为PVDF管是性能稳定,对纯水水质污染更小的材料,主要用于纯水精处理系统的管道中。

据报道目前还没有能对超纯水管道材料的污染性能做出比较的可靠方法,这是因为管道材料溶解到纯水中的杂质浓度太低了,使得许多仪器无法分辨出来。有两种方法尚能相对的对管道材料做一些比较。

(1)  浸泡试验

这是将一定面积的管道材料严格清洗后浸泡在超纯水中,或将超纯水装入经严格清洗的一定长度的管道中,经一定时间的浸泡,测定浸泡前后各种离子和TOC的变化,经计算可得到单位时间内单位面积的管道杂质的释放量,可以做各种管材的相对比较。

(2)      用电子显微镜观测管道内壁

将管道切下后,内壁溅涂后用电子显微镜观测,观察材料表面的微孔。微孔多易于沉积微粒和细菌,观测资料证明,PVC管道内壁相当光滑,而PP管内壁有0.3~1um的微孔。

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