隨著半導(dǎo)體、集成電路的發(fā)展,特別是大規(guī)模集成電路發(fā)展到超大規(guī)模集成電路階段,電路線寬已小于1um以下,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中所使用的純水水質(zhì)更加嚴(yán)格(表1),水質(zhì)主要指標(biāo)是電阻率、微粒、細(xì)菌和總有機(jī)碳(TOC)的要求。
面對(duì)如此嚴(yán)格的水質(zhì)要求,人們首先把注意力放在采用先進(jìn)的純水制造工藝和設(shè)備并輔以嚴(yán)格的管理上面,這是非常自然的,但往往忽視了另一重要因素,那就是純水管道設(shè)計(jì)和管材選擇問(wèn)題。
眾所周知,大部分工廠的純水系統(tǒng)都包括中央純水制取系統(tǒng)和純水輸送和分配系統(tǒng)(圖1),也就是說(shuō)中央純水制造系統(tǒng)(即純水站)制出的合格的純水必須經(jīng)過(guò)純水輸送和分配系統(tǒng)才能送到純水用戶的使用點(diǎn),而這些純水管道系統(tǒng)的管道長(zhǎng)度,常常是上百米,甚至上千米,由于使用點(diǎn)的分散分配管路也是錯(cuò)綜復(fù)雜的,作為純水工作者的任務(wù)絕不僅關(guān)心在中央純水站制出合格的純水來(lái),而且要關(guān)心純水輸送和分配系統(tǒng),最終保證幾十個(gè)、幾百個(gè)使用點(diǎn)的水質(zhì)要求。
本文僅就純水管道的分配方式、管道選擇等問(wèn)題談一些粗淺看法,以期引起對(duì)此問(wèn)題的重視。
純水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)
純水輸送和分配管道系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分,管道系統(tǒng)擔(dān)負(fù)將中央純水站制出的高質(zhì)量的純水以盡量小的水質(zhì)降低輸入給每一個(gè)使用地點(diǎn),如果管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng),就會(huì)使純水水質(zhì)大大下降,甚至把處理系統(tǒng)話費(fèi)的功夫全部付諸東流。由于水的純度很高極易受到污染,使用點(diǎn)分散而無(wú)規(guī)律,變化幅度大,使得解決這一問(wèn)題帶來(lái)相當(dāng)大的難度。
首先,應(yīng)保證純水管道內(nèi)的流速,即在管道系統(tǒng)壓力損失允許情況下管內(nèi)流速盡量大,以防管內(nèi)細(xì)菌繁殖、微粒沉積,盡量減小管道溶出物對(duì)純水水質(zhì)的污染,管道流速一般按下列數(shù)據(jù)選擇:
干管流速 1.5~3m/s
支管流速 1~2m/s
接設(shè)備支管流速 0.5~1m/s
其次,在設(shè)計(jì)純水管道系統(tǒng)時(shí)要解決好防止產(chǎn)生滯水段(俗稱(chēng)“死水”)和“短路”這兩大難題。
解決好著兩大難題的關(guān)鍵是正確的設(shè)計(jì)純水循環(huán)管道系統(tǒng),純水循環(huán)管道不同于一般樹(shù)枝式管道系統(tǒng),它不但應(yīng)有純水給水管而且還有純水回水管,在運(yùn)行上,無(wú)論純水使用水多少,都能保證管道內(nèi)純水處于流動(dòng)狀態(tài),真正做到“流水不腐”。
為了即保證純水管內(nèi)流速又使純水回水管中有一定流速純水系統(tǒng)的供水量應(yīng)該由兩部分組成,即:
純水系統(tǒng)供水量=設(shè)計(jì)用水量+循環(huán)水量
其中循環(huán)水量應(yīng)為設(shè)計(jì)用水量的30~50%
純水循環(huán)管道的布置方法有以下幾種:
1、單管式(圖2)
這是一種最簡(jiǎn)單的純水循環(huán)管道系統(tǒng),純水給水管以同一管徑或縮小一號(hào)管徑返回至精處理系統(tǒng)的循環(huán)水箱,為保證管道系統(tǒng)工作壓力,在接入循環(huán)水箱前需加設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥,接至生產(chǎn)設(shè)備的純水支管應(yīng)盡量短,有人認(rèn)為其長(zhǎng)度小于4倍支管直徑,當(dāng)然這一點(diǎn)往往難有實(shí)現(xiàn)。
在運(yùn)行中,不管有無(wú)用戶使用純水,循環(huán)管道都處于流動(dòng)狀態(tài),很明顯在這種管道系統(tǒng)中干管是不會(huì)有“死水”和“短路”問(wèn)題的。
這種布置的缺點(diǎn)是:
(1)如果供水區(qū)域較大,用水點(diǎn)較多時(shí),會(huì)造成循環(huán)管道過(guò)長(zhǎng),當(dāng)必須保證較高管內(nèi)流速時(shí),管道水頭損失較大,致使動(dòng)力消耗大,管道初端與末端供水壓差較大。
(2)當(dāng)出現(xiàn)某一管段滲漏或受到污染時(shí),無(wú)法把有問(wèn)題的管段切開(kāi),而必須停止整個(gè)系統(tǒng)工作才能檢修。
因此,此布置方法僅限于較小的供水區(qū)域,大約15~20個(gè)用水點(diǎn),循環(huán)管道管徑不宜超過(guò)DN50。
2、有單獨(dú)給水喝回水管的純水循環(huán)管道系統(tǒng)
這種布置方法設(shè)有單獨(dú)的純水給水干管和單獨(dú)的回水干管,從純水給水干管中接出的支管,以類(lèi)似于上述單管式通過(guò)若干個(gè)用水設(shè)備,回至純水回水干管?;厮晒茏詈蠼又辆幚硐到y(tǒng)的循環(huán)水箱。由于這種布置方式可以有若干個(gè)循環(huán)支管,整個(gè)系統(tǒng)則可以供給幾十甚至上百個(gè)用水點(diǎn)用水,每個(gè)循環(huán)支管在接入回水干管前也應(yīng)裝設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥。
圖3是一種給水干管與回水干管為反向流的布置方式,其特點(diǎn)是給水干管商的第一個(gè)支管是回水干管中的最后一個(gè)接入點(diǎn)。很明顯,由于給水干管上第一個(gè)支管水壓比其他支管高,回流路程又短,因此非常容易造成“短路”,相反其它支管就會(huì)造成“死水”,顯然這不是一個(gè)理想的布置。
解決的辦法應(yīng)該按圖4方式布置,即純水給水干管與回水干管同向流的布置,其特點(diǎn)是由給水干管接出的第一個(gè)支管也是回水干管上的第一個(gè)接入管,依次給水支管接入順序與回水干管的接出次序是一致的。因此每一條流水路線都經(jīng)歷大致一樣的長(zhǎng)度,使“短路”和“死水”的可能性大大減少了,因此這是一種比較理想的布置方式。
當(dāng)進(jìn)行多層工業(yè)廠房設(shè)計(jì)時(shí),由于頂層與底層高差較大,會(huì)產(chǎn)生底層水水壓過(guò)高,回流快而形成底層“短路”、頂層“死水”現(xiàn)象。這時(shí)應(yīng)在每層的支管商加設(shè)“流量控制閥”(如圖5所示)。流量控制閥的特點(diǎn)是當(dāng)壓力在一定范圍內(nèi)變化時(shí),通過(guò)閥的流量基本不變。例如:PLAST-O-MATIC公司生產(chǎn)的FC系列流量控制閥,當(dāng)水壓從0.1MPa到0.85MPa之間變化時(shí)其流量的變化小于15%。
純水管道選擇
1、管道對(duì)純水水質(zhì)的污染
管材選擇對(duì)于超純水系統(tǒng)是至關(guān)重要的,因管道原因造成純水水質(zhì)下降主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面:
(1)因管道材料中的不純物質(zhì)溶解于超純水中致使水中陽(yáng)、陰離子增加,電阻率下降以及TOC的增加。
(2)因管道內(nèi)壁不光滑及接頭、閥門(mén)等原因造成細(xì)菌滯留繁殖及其他顆粒的聚積,致使水中微粒的增加。
(3)因管道及閥門(mén)不嚴(yán)密引起控制滲入,造成電阻率下降、溶解氣體及微粒的增加。
因此在超純水系統(tǒng)應(yīng)選擇可淬性低、內(nèi)壁光滑的管道并盡可能減少接頭及管件的凹凸不平。要求管道連接嚴(yán)密,嚴(yán)格清洗及安裝等工藝,把握住有可能污染超純水水質(zhì)的所有環(huán)節(jié)。
2、常用純水管道材料
在超純水系統(tǒng)中罪常用的是工程塑料管道,如PVC、PP、ABS及PVDF等,當(dāng)然在某種場(chǎng)合也有采用不銹鋼管道的。
目前尚無(wú)完整的對(duì)于這些純水管道材料對(duì)超純水水質(zhì)影響的比較材料及可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)道。各國(guó)有各自的選用習(xí)慣。例如美國(guó)多采用PVC管,英國(guó)多采用ABS管,而歐洲一些國(guó)家則常用PP管,而PVDF管大都用于水質(zhì)要求特別高的純水精處理系統(tǒng)。
PVC管
PVC管是超純水中使用最廣泛的管道材料。國(guó)際上普遍采用美國(guó)SPEARS公司的SCH80PVC管道(SCH80位SCHEDULE NUMBER 80的簡(jiǎn)寫(xiě),為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)管子號(hào),表示管壁厚度系列(耐壓力)的號(hào)碼),PVC管采用承插粘結(jié),故對(duì)管外徑公差要求較嚴(yán)格。
PP管
國(guó)內(nèi)尚無(wú)可用于純水的PP管,許多引進(jìn)項(xiàng)目中采用了國(guó)外的PP管。
ABS管
ABS管在純水系統(tǒng)亦有一定范圍的使用。但對(duì)它的評(píng)價(jià)各說(shuō)不一,尚未定論。國(guó)內(nèi)目前在純水系統(tǒng)較為廣泛的使用ABS管。由英國(guó)ALGA公司引進(jìn)的純水系統(tǒng)采用ABS管,國(guó)內(nèi)亦有廠家生產(chǎn)DN15~DN150的ABS管道、閥門(mén)及配件因而得到廣泛使用。
PVDF管
目前普遍認(rèn)為PVDF管是性能穩(wěn)定,對(duì)純水水質(zhì)污染更小的材料,主要用于純水精處理系統(tǒng)的管道中。
據(jù)報(bào)道目前還沒(méi)有能對(duì)超純水管道材料的污染性能做出比較的可靠方法,這是因?yàn)楣艿啦牧先芙獾郊兯械碾s質(zhì)濃度太低了,使得許多儀器無(wú)法分辨出來(lái)。有兩種方法尚能相對(duì)的對(duì)管道材料做一些比較。
(1)浸泡試驗(yàn)
這是將一定面積的管道材料嚴(yán)格清洗后浸泡在超純水中,或?qū)⒊兯b入經(jīng)嚴(yán)格清洗的一定長(zhǎng)度的管道中,經(jīng)一定時(shí)間的浸泡,測(cè)定浸泡前后各種離子和TOC的變化,經(jīng)計(jì)算可得到單位時(shí)間內(nèi)單位面積的管道雜質(zhì)的釋放量,可以做各種管材的相對(duì)比較。
(2)用電子顯微鏡觀測(cè)管道內(nèi)壁
將管道切下后,內(nèi)壁濺涂后用電子顯微鏡觀測(cè),觀察材料表面的微孔。微孔多易于沉積微粒和細(xì)菌,觀測(cè)資料證明,PVC管道內(nèi)壁相當(dāng)光滑,而PP管內(nèi)壁有0.3~1um的微孔。