纯水输送管道系统设计
分割线[摘要] 以电子工厂纯水输送系统为实例，对管材的选择、配管设计特点、系统清洗和管道安装要求等方面的问题进行了讨论。
[关键字] 纯水输送系统,纯水管道,设计
引言
纯水是电子、电力、医药、食品、石油、化工等工业部门所必须的基础材料之一，尤其被广泛使用于电子工业的电子元件、电真空器件、显像管、半导体器件等生产中。随着电子技术的迅速发展，对纯水的质量要求日益提高，需用量也大幅度增加。面对这种状况，人们首先把注意力放在采用先进的制造工艺和设备，并辅以科学的管理上面，但往往忽视了另一重要环节--纯水输送系统。该系统如设计不当，就会使使用点处的纯水水质大大降低，为此作者想通过对此问题的简要讨论，引起人们的重视。
1、管材选择
高纯水被污染的原因，一是来自外界杂质的引入，二是系统内各种材料中所含污染物的溶出。因管道材质造成纯水水质下降主要有以下两点：（1）管道材质中的不纯物质溶解于高纯水中致使水中阳、阴离子增加、电阻率下降以及TOC增大。（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以及其他颗粒的聚积，致使水中微粒增加。
为了减少上述不利因素的影响，应选用可萃性低、内壁光滑的管道并尽可能减少接头及管件的凹凸不平。当然也要根据纯水水质的级别进行选材，并注意材料的价格等，要统筹兼顾。根据材质的不同，高纯水配管主要可分为有机系配管和不锈钢配管两大类。
有机系配管的品种常见的包括聚氯乙烯(PVC)，聚丙烯(PP)，丙烯腈-丁乙烯-苯乙烯(ABS)，聚偏二氟乙烯(PVDF)等4种，它们的主要性能见表1。
表1：有机系配管的主要性能比较
| 名称 | PVC | PP | ABS | PVDF |
|---|---|---|---|---|
| 比重（g/cm3） | 1.43 | 0.91 | 1.05 | 1.77 |
| 抗拉强度（MPa） | 50~55 | 25 | 40~50 | 50~60 |
| 线膨胀系数（1/℃） | (6~8)×10-3 | 11×10-3 | 3×10-3 | 12×10-3 |
| 使用极限温度（℃） | 60 | 100 | 60~70 | 120 |
| 内壁平滑度（μm） | 1.8 | 4 | - | 0.17~0.5 |
| 离子溶出量（mg/m2） | Cl-1.7 | Cl-0.1~0.2 | - | F-1.8~2.6* |
| TOC溶出量（mg/m2） | 5.3 | 7.8 | - | 1.7 |
注：*因PVDF管不含任何添加剂，所以只发现溶出F-。
有机配管材质对高纯水水质的影响，目前尚无完整的比较资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。PVDF管大多用于水质要求特别高的纯水精处理系统。
目前国内各种管材的使用现状是：
1.1 PVC管
PVC管是高纯水中使用最广泛的管道材料，普遍引进美国SPEARS公司的SCH80PVC管道(SCH80为SCHEDULE NUMBER80的简写，为美国标准管子号)。由于PVC管采用承插粘接，故对管外径公差要求较严格，它的另一个弱点是不能耐臭氧(O3)和高温，使用时要引起足够的注意。
1.2 PP管
PP管尽管在常温下各种杂质溶出量较低，亦能耐一定的温度，但随温度的上升，Na+、SO2-4溶出量成倍增加。国内尚无可用于纯水的PP管，许多引进项目中采用国外的PP管。
1.3 ABS管
ABS管在纯水系统中已有一定范围的使用，国内亦有厂家生产DN15~DN150的ABS管道、阀门及配件，但对它的评价各说不一，尚未定论。因此，订货和安装前务必要对厂家产品质量认真检验。在使用中，从英国ELGA公司引进的纯水系统多数配套ABS管。
1.4 PVDF管
目前普遍认为PVDF管在商品有机配管中是性能稳定且对纯水水质污染最小的管材，特别具有耐温、耐H2O2、O3和耐UV照射的优点。最大的不足是价格昂贵，为PVC管的5~10倍，因此目前仅用于纯水精处理系统的管道中，现国内个别合资和独资集成电路工厂中已有使用实例。
1.5 不锈钢配管
不锈钢配管材质通常选用0Cr18Ni9(304L)和00Cr7Ni14Mo2(316L)两种牌号。它们之间的主要区别在于后者加入2%的钼，从而在技术性能上比前者优越，特别对非氧化性酸和热的有机酸、氯化物的耐腐蚀性比单纯的铬、镍不锈钢要好得多，抗孔蚀能力也会大大增强。无论选用哪种牌号的不锈钢管，均应进行表面处理，以减少金属溶出量和提高内表面光洁度。特别对焊缝处必要时应进行酸洗和钝化处理。目前，在水质级别不太高的大型电子纯水系统(如彩色显像管生产线)大多采用304L不锈钢管，而在医药工业高纯水系统均用316L不锈钢管。
2、配管设计的特点
纯水输送和分配管道系统是整个纯水系统的重要组成部分，该系统将中央纯水站制出的高质量纯水以尽量小的水质降幅输送给每一个使用地点。但由于水的纯度很高，极易受到污染，而用水点较分散又无规律且变化幅度大等，给纯水的尽可能的保质输送带来相当大的难度。目前配管设计中出现的两大难题是：
（1）如何保持较高的管道设计流速，即在管道系统压力损失允许的情况下管内流速尽量大，以防管内细菌繁殖和微粒沉积。
（2）如何防止纯水管道系统内产生滞水、短路和逆向流动现象。
经过不断地探索和实践，现从设计角度提出几种可供选择的途径：
①设计采用纯水循环系统，并必须24h连续运行，以杜绝管内产生死水。
②为使运行中无论纯水使用多少都能保证纯水处于流动状态，循环附加流量应为设计流量的50%～100%。
③应保证纯水管道流速。纯水循环干管最小流速宜大于1.5m/s，支管流速宜大于1.0m/s。
④对接使用点支管应尽量缩短，以减少死水管段。有文献报道支管长度不宜超过30倍管径长度。
⑤循环管道宜采用双管布置方式，即有独立的给水管和回水管的纯水循环管道系统。
目前纯水循环管道系统的布置常用的有3种：
（1）单管布置方式(见图1)。
图1：单管布置方式
这种布置方式在阀门关闭时，支管部分易产生滞留，它将影响其后面管道的水质。同时，当供水区域较大，用水点较多时，由于循环管道过长会造成末端压差较大。因此，它仅限于在较小的、水质要求不太高的纯水输送系统中采用为好。
（2）双管布置方式(见图2)。
图2：双管布置方式
这种布置方式克服了单管布置方式的缺点。因此对一些大型纯水系统，且水质要求较高的场合可采用这种布置方式。
（3）多层厂房纯水循环管道系统(见图3)。
图3：多层厂房纯水循环管道系统
应该指出，无论选用哪一种布置方式，在具体设计中都应注意以下两点：
（1）循环干管布置时应力求靠近每一根支管阀门处，因为该处易产生细菌繁殖、微粒的蓄积和放出、离子及有机物的溶出等，从而使水质劣化的可能性最大。
（2）支管阀门应放在杂质不易滞流的位置，清洗设备在使用中要避免阀门时开时闭，处于常开状态为佳。以避免阀门开启时由于管道内有滞留物而使水质受到影响。
3、管道清洗
管道清洗对能否在使用点获得合格的高纯水水质极为重要，水质要求越高，对清洗要求就越严格。
管道清洗工作通常包括出厂或安装前的清洗和运转调试前的清洗两部分。清洗液配方视选用管道的材质而有所不同。清洗方式一般采用循环清洗与静水浸泡相结合。
浸泡是使化学清洗液与铁锈氧化皮层等充分接触反应，而循环清洗的目的是利用循环液流动的冲刷作用将被清洗表面的已疏松的杂物和反应剥离的杂物从管道内带走。
对于管道清洗工作，国内已积累了一定的经验，并可由专门的化学清洗公司提供服务。以下仅以两个电子工厂纯水输送系统为实例，分别对不锈钢管和PVC管的清洗工艺和具体步骤作一简要讨论。
3.1 某彩色显像管厂纯水输送系统(不锈钢管)
该输送系统水质要求电阻率≥10MΩ.cm(25℃)，管材为304L不锈钢，单管布置方式，循环干管直径100mm，总长度约1000m。运转几年来，水质满足了工艺要求。
3.1.1 安装前的清洗
吹扫 用钢丝绑扎白布在管内表面来回拉擦，直至管内腔擦净为止；
脱脂 用四氯化碳原液充入管内，来回循环，除净管内油渍；
温水洗 先用2%～3%浓度、温度为40℃～50℃的洗涤剂或肥皂液在管内进行动态洗净，洗净后用40℃～50℃温水冲洗，冲净为止；
干燥 用无油干燥热压缩空气或用净化压缩空气吹干，并严格检查是否有污染物；
封闭 用干净塑料布加入松套法兰盘之间封口；
酸洗和钝化处理 对有锈蚀的管、阀件，在温水洗后应进行酸洗和钝化处理，并须用自来水冲洗至中性；
脱脂管道焊缝内壁去掉氧化膜后，应再用四氯化碳脱脂，85℃热水洗，干燥后密封管口待装，如发现有锈蚀现象，在干燥前还应进行酸洗和钝化处理。
酸洗液配方按体积比为硝酸15%、氢氟酸1%、水84%，将管道浸泡15min(溶液温度为49℃～60℃)。
钝化液配方按体积比为硝酸5%、重铬酸钾2%、水93%将管道浸泡20min(溶液温度为常温)。
另外，作为冲洗使用的自来水，其Cl-含量应小于25mg/L，冲洗水流速不低于1.5m/s。
3.1.2 运转调试前的清洗
在运转调试前须先对已安装的纯水输送系统作水压试验，合格后方可进行清洗；
使用纯水站供应的纯水进行冲洗，直至使用点出水达到规定的出水要求。
3.2 某研究所纯水输送系统(PVC管)
该输送系统水质要求电阻率≥15MΩ。cm(25℃)，管材为SCH80PVC管，循环干管直径32mm，总长度为250m。通过试运转，水质满足了工艺要求。
3.2.1 安装前的清洗
由于该所采用的PVC管是引进的，因此到货的管道在出厂前均已清洗后封装，故一般在安装前可不考虑清洗，对个别被污染的管件、阀件可采取下列步骤进行清洗：
用1%～2%碱(NaOH)溶液刷洗，以去除油脂类污垢，并用自来水冲洗至中性；
在1%～2%盐酸(HCl)溶液中浸泡2h～4h，除去锈、金属离子及氧化物，再用水冲至中性；
干燥用净化压缩空气吹干，然后用干净塑料布封装。
3.2.2 运转调试前的清洗
在运转调试前须先对已安装的纯水输送系统作水压试验，合格后方可进行；
用3%～5%双氧水进行管路循环清洗40min，以达到消毒杀菌目的；
使用纯水站供应的纯水或反渗透水冲洗管道内残留药液，直至使用点出水水质达到规定的水质要求。
4、管道安装要求
不锈钢管或有机配管的安装要求，虽已有可遵照的金属管道或PVC管施工及验收规范，但由于管道内输送的介质为高纯水，因此在安装中除应参照现有规范所通常规定的要求外，还应注意以下几点：
4.1 选用不锈钢管作纯水管材
- 氩弧焊接时，要求内焊缝表面光滑，无氧化现象，焊表缝及尺寸面缺陷容许值应符合规定要求，法兰连接时，法兰垫片宜用聚四氟乙烯；
- 由于焊接时受热，金相结构会发生变化，如处理不当在焊缝区域易产生锈蚀和铁离子溶出，因此尽可能采用冷作工艺和减少焊缝量，以降低这种影响；
- 不锈钢托架安装时，应防止不锈钢与碳钢接触，管道与支架接触处应垫入不锈钢片、不含氯离子的塑料片或橡胶垫片；
- 管道安装完成后，应进行严密性试验，以防接头漏气，影响水质。
4.2 选用有机配管作纯水管材
- 管道在安装前应保持清洁、平整、防止弯曲，特别应处理掉管端锯过后留下的毛刺等物，并用干净抹布把管端与管件上应上胶部分擦干净；
- PVC粘接前，应注意管端与管件对插是否合适，以防太松或太紧，并作好上胶件记号并标注其尺寸；
- 上胶时，胶水涂敷应均匀并快速插入管件内直至底部，并保持压紧半分钟，以防管子滑出，然后用干净抹布将管子与管件间多余胶水擦干净；
- 安装完成后应进行严密性试验，以防接头漏气渗入各种气体影响水质；
- 管道支架一定要固定牢靠，支架间距严格按规范要求执行，管道支架接触处应设橡胶垫片，穿楼板处要加套管。
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