純水設備知識：工藝冷卻水管道的選擇
以某半導體廠工藝冷卻水設計水質(zhì)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(zhì)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(jù)工藝冷卻水的水質(zhì)要求，SS304不銹鋼管即可滿足要求，但是半導體、TFT行業(yè)通常采用純水制備過程中產(chǎn)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(jù)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(jù)不同工程的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，不銹鋼管道的腐蝕均發(fā)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(nèi)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(tǒng)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(chǎn)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(nèi)的水放空、吹干。
（2）塑料管道
根據(jù)工藝冷卻水的水質(zhì)要求，PVC管道即可滿足要求。常用的PVC有兩種，硬質(zhì)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(zhì)呈弱酸、弱堿性，也不會造成管道的腐蝕。
但塑料管道需注意工作壓力的問題，由于工藝設備內(nèi)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(huán)水系統(tǒng)的工作壓力較高，在管道的選擇時應根據(jù)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
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(shù)；
σ為管道應力（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℃。
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(tǒng)。Sch-80為ASME（美國機械工程師協(xié)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(jīng)圓整的數(shù)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∮?span>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(jié)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(nèi)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(huán)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。
２ 純水管道的選擇
電子超純水通常為電阻率>15 MΩ?cm（25℃）的純水，而此時電阻率已經(jīng)不是重要的因素，需根據(jù)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(jù)主要是管道的溶出物（見表1）及內(nèi)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(zhì)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(nèi)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(mào)易有限公司（SEKISUI）”、“日本旭有機材株式會社（ASAHI AV）”。潔凈PP管材質(zhì)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(nèi)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(tǒng)有限公司（+GF+）。PVDF管材質(zhì)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(yōu)異的耐磨性、熱穩(wěn)定性和介電性，其純度高，能熔融成型，對于大多數(shù)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(fā)煙量少等優(yōu)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(tǒng)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(zhì)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(yè)，現(xiàn)在在純水中得到了廣泛的應用。其優(yōu)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(xiàn)場培訓即可。其缺點在于，管道的粘結和安裝的質(zhì)量。這也是眾多的半導體廠中有大量的PVC管道系統(tǒng)失效和漏水問題的原因。PVC管路系統(tǒng)失效主要是粘結質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(tǒng)造成極大的風險。
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(jīng)常使用的穩(wěn)定劑。純水設備而這些粘接劑及有機溶劑會產(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(jù)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(tǒng)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?shù)恼辰?，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(zhì)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(zhì)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(nèi)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(nèi)的半導體生產(chǎn)中也有8英寸采用Clean-PVC管道的成功案例，但經(jīng)過實測分析后發(fā)現(xiàn)，這類生產(chǎn)廠的產(chǎn)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(tǒng)運行若干年后升級為8英寸的，而Clean-PVC管路系統(tǒng)經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)，設置了專用的除TOC紫外線燈，在系統(tǒng)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(tǒng)在投產(chǎn)前需經(jīng)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(chǎn)中，經(jīng)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(nèi)沖洗到較低的指標，如表3所示。為了節(jié)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(jīng)過拋光系統(tǒng)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(zhì)，只是會影響拋光系統(tǒng)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(zhì)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(zhì)，可使用Clean-PVC與潔凈PP管道，但潔凈PP在連接方式及施工質(zhì)量上有明顯的優(yōu)勢，故而，潔凈PP管可以代替Clean-PVC在純水系統(tǒng)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(zhì)，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(zhì)的管道系統(tǒng)，可采用已運行多年的Clean-PVC管路系統(tǒng)而不必更換成PVDF管路系統(tǒng)。純水設備，實驗室純水設備。杭州純化水設備，杭州GMP純化水設備。 半導體純水設備。
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