張家港GMP純化水設備解讀：工藝冷卻水管道的選擇的要求
【上海水處理設備網www.ppyswfy.cn】以某半導體廠工藝冷卻水的設計水質為例:電阻率> > 30kω？cm < 0.5德國的硬度。因此，工藝冷卻水管道的選擇主要考慮兩方面的要求，一方面是水質的要求；另一方面，管道防腐的要求是純水設備。 工藝冷卻水管主要包括不銹鋼管和塑料管。 (1)不銹鋼管道 根據工藝冷卻水的水質要求，SS304不銹鋼管可以滿足要求。然而，純水制備過程中產生的反滲透(RO)出水通常用作半導體和TFT行業(yè)工藝冷卻水的補充水源，RO出水的pH值根據純水制備的工藝流程而變化。當水的pH值為中性或弱堿性時，可采用SS304不銹鋼。當水的pH值為酸性時(RO出水一般為酸性，不加堿)，應選用耐酸性好的SS304L不銹鋼。 根據對不同工程的調查，發(fā)現(xiàn)不銹鋼管道的腐蝕發(fā)生在接口和管道底部。主要原因是界面腐蝕主要在于焊接過程中氬弧焊對氧化層的破壞，導致氧化層下不銹鋼鉻化合物的腐蝕。管道底部腐蝕主要是因為管道沖洗用的自來水中含有較多的余氯。沖洗后管道內的水沒有及時排出，導致局部路段積水。管道施工驗收后系統(tǒng)長期不投入運行時，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，溶液中氧的存在促進了金屬的鈍化，而氯離子破壞了金屬的鈍化，同時進入。 因此，在選擇不銹鋼管時，應考慮一定的腐蝕裕量。至少應選擇Sch-10S壁厚的產品，并采用正確的焊接方法。用純水設備清洗管道后，應將管道中的水排空并晾干。 (2)塑料管 根據工藝冷卻水的水質要求，PVC管可以滿足要求。常用的PVC有兩種。硬聚氯乙烯(PVC-U)是一種由聚乙烯單體聚合而成的熱塑性聚合物。氯化聚氯乙烯(PVC-C)是一種獨特的聚合物，由聚氯乙烯樹脂氯化而成。因為PVC管道具有很強的耐腐蝕性，即使水質是弱酸性和堿性，也不會造成管道腐蝕。實驗室純水設備 但塑料管的工作壓力要注意。工藝設備中冷卻管的小直徑會導致較大的壓頭損失。因此，工藝冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的工作壓力較高，在選擇管道時應根據應力計算確定管道的壓力等級。需要注意的是，管道的壓力等級不等于設計管道的允許工作壓力。管道應力公式 式中:P為管道的允許工作壓力(MPa)； d是管道的外徑(mm)； e為管道壁厚(mm)； c是設計系數(shù)； σ是管道應力(MPa)。 以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(shù)2.5，液體溫度40℃。 可以看出，雖然管道的壓力等級為PN16，但管道的允許工作壓力為9.86 MPa。 因此，Sch80-PVC管通常用于工藝冷卻水系統(tǒng)。Sch-80是ASME(美國機械工程師學會)的壁厚標準，Sch是“schedule”，是管道的壁厚等級。Sch是設計壓力與設計溫度下材料容許應力的比值乘以1000并四舍五入。即: Sch。= P/?t×1000 式中:P為設計壓力(MPa)；〔ó〕 t是設計溫度下材料的許用應力(Mpa)。 管號(Sch)不是壁厚，而是一系列壁厚。 同樣的管徑，杭州GMP純化水設備不同的管數(shù)，其壁厚是不同的。Sch越大，管壁越厚。 PVC管有大口徑管道采購和施工困難的缺點。因此，PVC管通�？梢詰糜谛∮贒N100的支管。純水設備的主管仍然是不銹鋼管，兩種管之間用法蘭連接。因為小口徑的Sch80-PVC管價格比不銹鋼管低，可以節(jié)省投資。 隨著新型管道的廣泛推廣應用，應特別注意管道的腐蝕和管接頭的問題。由于工藝冷卻水通常采用RO出水或軟化水作為補充水源，具有一定的腐蝕性，因此管道內壁必須具有足夠的耐腐蝕性。很多管道本身在耐腐蝕方面沒有問題，但是管道接口處理不當很容易導致接口處腐蝕。比如鋼襯不銹鋼管道，接口不能保證水與非不銹鋼部分完全隔離；鋼襯塑料管和覆鋼塑料管，無論是螺紋連接、卡環(huán)連接、溝槽連接還是法蘭連接，都不能保證外層金屬與水完全隔離。 2純水管道的選擇 電子超純水通常電阻率>:15mω？Cm(25℃)的純水，此時電阻率已經不是重要因素，需要根據其他指標的要求具體分析。 (1)管道性能比較 管材的選擇主要基于管材的溶解物質(見表1)和內表面光潔度。使用的主要管道有清潔PVC管、清潔PP管和PVDF管。Clean-PVC管采用抗沖擊硬質PVC制成，比普通PVC管含添加劑少。從而降低管道內壁的粗糙度(Clean-PVC管的表面粗糙度小于0.37微米，而普通PVC管的表面粗糙度為1.0微米)和污染物的沉淀。主要制造商為積水國際貿易有限公司和ASAHI AV。清潔管由(β)-PP-H均聚物聚丙烯制成，具有非常均勻致密的結構和優(yōu)異的沖擊強度。其高結晶度確保了優(yōu)異的耐化學性，通過使用二氧化鈦顏料進一步提高了耐化學性。其內壁粗糙度和污染物沉淀性能與Clean-PVC接近。主要制造商是喬治·費舍爾管道系統(tǒng)有限公司(+GF+)。PVDF管由聚偏氟乙烯制成，聚偏氟乙烯是一種高結晶度的熱塑性塑料，具有純水設備的高性能，可用溫度/壓力范圍廣。其主要特點是機械強度高、韌性好、耐磨性、熱穩(wěn)定性和介電性能優(yōu)異、純度高、可熔融成型、耐腐蝕性好、耐紫外線和核輻射性好、耐候性好、耐生物菌性好、氣體和液體阻隔性好、阻燃性好、對大多數(shù)化學品和溶劑的煙霧少等。聚偏氟乙烯(PVDF)是一種純材料，不含任何添加劑，表面光滑，粗糙度小于0.2 μ m，主要廠商有喬治？費希爾管道系統(tǒng)有限公司(+GF+)，奧地利AGRU公司。 對管材進行了選擇，并與典型電子潔凈車間使用的幾種純水進行了比較(見表2)。 對于類似6寸半導體前處理和TFT-LCD的水質，可選擇Clean-PVC管或clean PP管。 Clean-PVC管自20世紀80年代開始應用于半導體行業(yè)，現(xiàn)在廣泛應用于純水領域。它的優(yōu)點是因為已經廣泛使用，供應商有一定的庫存，所以交貨周期短，安裝工藝比較簡單。平時半天的課堂和現(xiàn)場培訓就夠了。其缺點在于管道粘接和安裝質量。這也是很多半導體工廠大量PVC管道系統(tǒng)失效泄漏的原因。PVC管道系統(tǒng)的失效主要是由于粘接質量不好造成的。PVC的連接方式主要是膠水粘接，需要膠水將粘接部分的表面軟化，然后將軟化的部分壓制。其粘接質量與操作者的技能高度相關，不同人、不同部位的粘接質量一致性很差。粘接需要涂足夠的膠，而且均勻性非常好。管道與管件的粘接部分應非常干凈、光滑，管道應完全插入管件內。但是由于插入鍵合的特點，實際鍵合位置是不可見的，可能存在缺陷，會對整個系統(tǒng)造成很大的風險。實驗室純水設備 因為PP是熱熔焊接，所以不像PVC那樣擔心污染，比如粘接溶劑等有機溶劑，在PVC管材中常用作穩(wěn)定劑。純水，而這些粘合劑和有機溶劑會產生有機污染物(TOC)。此外，PP管道紅外熱熔焊接由電腦控制，避免了人工操作質量參差不齊的問題，可100%檢查焊點。張家港GMP純化水設備這使得PP管的安裝質量比Clean-PVC管更有保證。然而，PP管道的價格和安裝成本高于清潔的PVC管道。 根據英特爾在世界各地的封裝測試工廠的報告，每年都有大量的PVC管道系統(tǒng)故障和漏水問題。故障是由多種原因造成的，包括粘合不當、缺乏支撐、安裝過程中未對準造成的沖擊等。因此，在英特爾新建的封裝測試工廠中，潔凈PP管已被廣泛用作替代潔凈PVC的首選管材。 類似8寸半導體前處理或者水質要求更高的以PVDF管為主。 如表2所示，8寸半導體對純水質量指標要求嚴格，Clean-PVC和clean PP已經不能滿足其要求。但是PVDF管道在溶出物和內壁光滑度上遠遠優(yōu)于Clean-PVC和clean PP，所以只能選擇PVDF管道。在國內半導體生產中，也有8英寸潔凈PVC管道的成功案例。但實際測量分析后發(fā)現(xiàn)，這類工廠的產品都是從6寸升級到8寸，也就是6寸純水管道系統(tǒng)運行幾年后升級到8寸。但Clean-PVC管道系統(tǒng)運行一段時間后，溶解離子逐漸減少。以某電子廠為例，一期車間的純水系統(tǒng)沒有配備專門的去除TOC的紫外燈，僅依靠制備過程中TOC的去除。經過幾年的運行，其回水管的TOC可以達到15ppm，而二期的新純水系統(tǒng)配有專門的紫外線燈去除TOC，系統(tǒng)運行初期的站房出口TOC只有50 ppm。由于這一特點，純水系統(tǒng)在投產前需要長時間沖洗。因此，在從6英寸升級到8英寸的生產中，清洗了幾年的Clean-PVC管可以滿足使用要求。但是，PVDF管道可以在短時間內沖洗到較低的指數(shù)，如表3所示。為了節(jié)省初期投資，純水回水管可以用Clean-PVC或clean PP管代替PVDF。由于純水回水需要經過拋光系統(tǒng)再次處理，即使回水中有較多的溶解物質，也不會影響供水水質，只會影響拋光系統(tǒng)的維護成本。但是，在長期運行后，維護成本的差異會逐漸減小。 綜上所述，筆者認為對水質要求較高的電子潔凈車間工藝冷卻水應首選Sch-10S不銹鋼管和Sch80-PVC管。 Clean-PVC和clean PP管可用于6寸半導體前處理和TFT-LCD工廠的水質，但clean PP管在連接方式和施工質量上有明顯優(yōu)勢。因此，潔凈PP管可以取代潔凈PVC管，廣泛應用于純水系統(tǒng)管道。 8寸和12寸半導體工廠的水質差不多，所以首選PVDF管道。從6 "升級到8 "半導體水質的管道系統(tǒng)可以采用已經運行多年的Clean-PVC管道系統(tǒng)，不需要更換為PVDF管道系統(tǒng)。
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