简析影响纯水品质的关键因素 (1).pdf

中文科技期刊数据库（全文版）自然科学 102 简析影响纯水品质的关键因素 许永立 吕广浩 雷满云 中国电子系统工程第四建设有限公司，河北 石家庄 050000 摘要：摘要：纯水生产水质是否满足设计图纸及业主的要求，主要从系统的设计，包括制备系统、分配系统的合理选择，使系统趋于合理，为后期的施工及运营提供基础的保障。分配系统所涉及的水泵、储罐、分配管路、仪器仪表等材质的选择，特别是分配管路材质的选择，对纯化水水质起到举足轻重的作用。系统设计完成，分配管道材质选定的情况下，施工过程中的严格管理、把控施工质量作为收尾的一环，起到系统完善的作用。不管是完美的设计，还是完美的施工过程管理，最终的目的是生产出高品质的纯水，满足业主的生产需求，所以运营的科学与否，决定是否能生产出合格的纯化水。在设计整套系统时，一方面需要使用各种物理、化学手段去除原水中的杂质，保证产水的品质满足工艺要求；另一方面，在确认了供水点能够提供合格的纯水水质后，我们如何能够将合格的水质安全的送到用户点，成为了关键所在，合理管线布局、正确选择管材、严格施工管理、科学的运营是解决此问题的关键，本文通过介绍纯水管道设计，包含系统流量、管路流速和管道布置方式，分析对比管材，科学合理选择，然后介绍利用氮封措施，防止水质污染，最后在施工管理和系统运行方面提出要求，确保纯水设计、施工和运行全周期的管理，确保纯水水质，满足用户要求。关键词：关键词：纯水；系统设计；管材；施工管理；运营 中图分类号：中图分类号：R459.5 工业上使用的纯水，以电子行业要求的纯度最高，就半导体、TFT 厂房来说，主要是应用于对各种电子产品的清洗，纯水可以避免水中杂质对电子产品的污染。应用于电子厂房的纯水水质主要是离子含量、颗粒度、总有机碳(T0C)、总硅、溶解氧(Do)等要求。目前在生物医药、半导体等相关产业，随着工艺要求不断提升，工艺设备对纯水及超纯水品质的要求也越来越高，单以电导率论，电子二级水质电阻率 15 MCM（25），不低于 13 MCM，电子一级水质电阻率 18 MCM（25），不低于 17MCM，而事实上，不论是 LCD-TFT 厂还是光伏等其它行业，均采用的是现如今超纯水工艺能达到的 18.2 MCM 的纯水，原因在于做 18.2 MCM 的纯水和 17MCM的系统成本偏差不大，只是增加了抛光混床这部分，可以预防某些原因污染而降低纯度。历经多个 TFT 行业项目后，确认了实际上厂房内用户点(POU)的纯水电阻率要求为 15M Qcm(25)即可，所以从制备此类超纯水的工艺来说，不存在任何的难度。1 管路的设计 1.1 系统流量 纯水循环管路系统是不同于一般枝状管道系统，它是一个循环管路系统，不但要有纯水给水管，还要有纯水回水管，保证纯水能够循环流动。为了满足厂务运行要求，即使使用点的用量处于峰值，也要能保证管路中纯水处于一直运行的湍流状态，避免管网内产生“死水”同时也杜绝出现滞水段、短路和逆向流动等异常现象。一般来讲，循环水量应为设计水量的30-100%（医药类项目设计上是循环水量是不小于泵出口水量的 50%，相当于水泵满频运行时满足循环水量等于使用点的总量），具体如何取值，要根据纯水系统大小、运行安全系数要求等等。近年来接触的的几个电子项目：A 项目：供水量 39m3/h，循环水量 m3/h，取值参考30%；B 项目：供水量 36m3/h，循环水量 18m3/h，取值参考 100%C 项目：供水量 15m3/h，循环水量 5m3/h，取值参考 50%D 项目：供水量 14m3/h，循环水量 4m3/h，取值参考 40%E 项目：供水量 80m3/h，循环水量 20m3/h，取值参考 33.3%中文科技期刊数据库（全文版）自然科学 103 1.2 管路流速 纯水管道的流速设计是纯水系统设计的关键之一，首先流速过高，必然导致沿程阻力大，系统压差大，管道振动明显，一些自动阀门开关时水锤现象明显等问题，影响管道系统的运行安全。当然，流速过缓，管道内部分区域易出现“死水”，细菌繁殖、微粒沉积和管道溶出物对纯水水质的污染突出。因此要保证纯水管路的流速，在管道压力损失允许的情况下增加流速。目前，管道流速一般这样选择：干管：1.5-3m/s；支管：1-2m/s；接设备支管：0.5-1m/s。如何计算纯水管道的流速呢？首先需要正确确定纯水流量，一般来讲，纯水系统供水量=纯水设计用量（根据 UM 表）+循环水量，根据参考的最大流速，选择管径，然后再根据合理的管径规格，确定管道流速。1.3 管路布置方式 管道布置方式绝对纯水的流动形式和状态，纯水的流动状态对纯水水质影响很大，最近常见的布置方式有单管布置和双管布置。单管布置方式的优点是成本低，施工工期短。不过，这种方式的缺点也十分明显，当阀门关闭时，部分支管易产生“死水”，影响纯水水质。特别时供水区域比较大，用水点较多的时候，循环管道比较长，沿程阻力较大，会造成末端压力不足。因此，这种布置方式主要用于较小的、水质要求不太高的纯水输送系统之中。双管布置方式，明显就规避了单管布置方式的缺点，在一些大型纯水系统中，还有水质要求较高的工程项目采用这种布置方式。2 管材的选择 为了保证供水点能够得到合格的纯水水质，管材选择成为了我们应该重视的。管材的选择主要考虑两点：一是足够的机械强度、耐腐蚀，避免出现各种渗漏，运行要安全；二是避免管材对水质进行二次污染。管材造成水质下降主要以下两点：（1）管道材质中的一些不纯物质溶解于纯水中，致使纯水中阴、阳离子增加，电导率下降以及 TOC 增大。（2）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集，致使水中的细菌、微粒增加。由此可见，管材的溶出物及光滑度，是解决这个问题的关键。首先就牢固性机械强度及光滑度而言，低碳不锈钢管是比较理想的选择，但是所有的管材都会将其所含的物质释放出来，特别是金属管道最严重，再加上不锈钢管道的腐蚀因素，所以不锈钢管道非常不适合作为纯水管道的管材，即便是不锈钢 SUS316L材质，也不能用来输送高纯度的纯水。主要是因为不锈钢材质与纯水之间的过氧化作用会产生锈蚀的针孔腐蚀效应，除了污染水质外，长期运行会造成管道的泄漏。当纯水的导电度在 1 M以下，不锈钢材质的管材勉强是可以被接受的；而水的导电度在 1 M以上时，建议不要采用不锈钢管材。我们在医药行业上，经常使用不锈钢卫生级管材（去铬、铅等），因为医药行业对纯水的要求更注重微生物污染及细菌内毒素的控制，纯化水及注射用水的水质电导率相对于电子行业来说是很低的（1 M），在管路的分配系统应采用与化学消毒、巴氏消毒、热力灭菌等相应的管道材料，显然 SUS 316L 是最佳选择。塑料管与纯水之间没有过氧化作用产生锈蚀的问题，只有管材本身释放重金属离子等不纯物质污染水质的问题。目前超纯水管道常用到的是塑料管材，主要有 Clean-PVC 管、洁净 PP 管、PVDF 管几种,根据不同行业和工艺要求的水质特性不同，选用不同的管材。根据管道溶出物数值表，可以 表 1 管道溶出物数值表 检出项目 Clean-PVC 洁净 PP PVDF 析出浓度 gL 析出速度g/m.day 析出浓度g/L 析出速度g/m.d 析出浓度g/L 析出速度g/m.d TOC 12.0 4.0 14.0 4.0 8.0 3.0 SiO 2.0 0.59 2.7 0.83 2.0 0.64 Na 0.09 0.03 1.2 0.37 0.01 0.003 K 0.03 0.009 0.06 0.03 0.01 0.003 Ca 0.39 0.12 0.07 0.02 1.1 0.35 Fe 0.09 0.03 0.07 0.02 0.05 0.02 Cu 0.005 0.001 0.005 0.002 0.005 0.002 Al 0.05 0.01 1.2 0.37 0.08 0.03 注：1、测试方法是依据半导体基盘技术研究会提出的封水试验，试验时间是 830 天。2、测试仅仅数据为一段管道的溶出数据，考虑到 clean-PVC 粘接胶水的因素，管道系统离子的溶出实际数值会更大。3、以上数据仅供参考，其数据因各制造商的产品会有不同。中文科技期刊数据库（全文版）自然科学 104 说明各种材质塑料管本身从管壁释放不纯物质的比较，很显然，PVDF 管材的整体性能比较优异。当然管壁释放不纯物质的量愈少，愈符合我们的需求。需要特别注意的是：相同管材，因制造供应厂商的生产工艺条件差异不同，管材释放不纯物质的量也有所不同。（1）Clean-PVC 管材 它采用耐冲击硬质聚氯乙烯制造，Clean-PVC 管道内壁的表面粗糙度小于 0.37m，污染物的析出较少，厂家用改善 PVC 管制程用的铅系稳定剂、钙系稳定剂等重金属稳定剂的使用，改以低溶出的锡金属做安定剂，没有大量重金属离子释放，主要是小量金属离子不断释出，目前主要生产商主要有“积水国际贸易有限公司(S E K I S U I)”、“日本旭有机材株式会社(ASAHI)”。这种管材的优点是交货周期较短、价格相对低廉，安装技术也比较简单。其缺点也非常明显，很多半导体厂中经常出现渗漏事故的原因。主要体现在管道的粘结和安装的质量难以控制，PVC 的连接方法主要是胶水粘接，这要求胶水能使粘接部位的表面软化，软化部位然后被压紧，粘接质量与操作人员的技术能力相关，另外管件的粘接部位需要非常干净、光滑，要求管路完全地插入管件。根据插入粘接的特性，实际粘接中可能产生的质量缺陷难以发现，有一定风险隐患。（2）洁净 PP 管材 洁净 PP 管材质为(B)一 PPH 均聚型聚丙烯，其内壁粗糙度及污染物的析出性能与 Clean-PVC 接近，由于具有非常均一、致密的结构和出众的抗冲击强度，其高结晶度确保了极好的耐化学品性能，二氧化钛色素的使用进一步提高了此特性。因此洁净 PP 管道系统的材料价格及安装费用上要高于 Clean-PVC。洁净 PP（聚丙烯）管路系统，其原材料具有独特的均一性，耐冲击、耐压、耐温、耐化学性等，再加上最显著的优点是熔焊连接，采用 IR-Plus红外对焊技术。目前在 TFT-LCD 等水质要求不太高的电子厂房中，洁净 PP 比较常用。目前生产制造商主要有瑞士乔治费歇尔管路系统有限公司(+GF+)、奥地利艾格鲁公司(AGLU)。（3）PVDF 管材 PVDF 管材质为聚偏二氟乙烯，是一种纯净的材料，它不含任何添加剂，且其表面光滑，粗糙度小于 0.2um。作为一种高结晶度、高性能的热塑性塑料，可用温度压力范围广。其主要特性是力学强度高、韧性好、具具有优异的耐磨性、热稳定性和介电性，其纯度高，能熔融成型，对于大多数化学品和溶剂都具有很好的耐腐蚀性、抗紫外线和核辐射性能好、耐候性好、耐生物菌类的作用、气体和液体阻隔性好、阻燃性好、发烟量少等优点。聚偏二氟乙烯制造商主要有瑞士乔治费歇尔管路系统有限公司(+GF+)、奥地利艾格鲁公司(agru)。PVDF（聚偏二氟乙烯）作为普遍公认的超纯水高端管材，虽然管材为浅白色（管材具有透光性，水中的细菌容易滋生，所以大部分塑料管材为灰色、黑色等深颜色。），但 PVDF 的介电值大，也表示材质的纯度高，并没有二次污染。PVDF 的连接工艺和 PP 管基本一致，价格昂贵，用途受限极为狭窄。PVDF 管材在洁净室内生产制造，出厂时把 PVDF 管子两端给予密封，所以现场施工再以氮气密封施工保持管内之洁净度，这是 PVDF 管消毒杀菌时间短的主因。在施工过程中，对于操作过程更要注意洁净，同时对于施工环境的要求更加严格。PVDF 管道焊接必须在洁净室内进行，避免污染。一般用于 8 英寸半导体前工序等水质要求较高的电子厂房。（4）管材比较 1）Clean-PVC 管与洁净 PP 和 PVDF 相比较，交货周期较短，价格相对较低，安装技术也比较简单，安装费用低，洁净 PP 和 PVDF 的材料费和安装费比较高（包括焊机租赁费），特别是 PVDF 管道。但对后期运营的稳定性减少了无形的成本。成本上简单做个比较：Clean-PVC 管单价：洁净 PP 单价：PVDF 单价1：2：30。2）对纯水水质的影响分析：由于 PP 是热熔焊接的，所以没有 PVC 那样担心的污染，粘接溶剂和其他有机溶剂等在 PVC 管道中经常使用的稳定剂，而这些粘接剂及有机溶剂会产生有机物沾污(T0C)。3）质量保证分析：洁净 PP 和 PVDF 管道的红外热熔焊接是采用计算机控制的，可以有效避免了人工操作质量的差异和风险，而且能对焊点进行 100 的质量检查，这使得洁净 PP 和 PVDF 管道比 Clean-PVC 在安装质量上更有保证。中文科技期刊数据库（全文版）自然科学 105 4）应用范围分析：洁净 PP 和 PVDF 管道使用压力范围大，尺寸范围广。目前 Clean-PVC 的最大口径是 DN300，洁净 PP 管可做到 DN500，对需要粘接的Clean-PVC 管材来讲，管径越大，施工难度越大，隐患也越多。5）管道布线：对于纯水量较大的系统，若采用Clean-PVC 管材，在不扩大主管管径的情况下，管道布线势必会给设计者带来更多的困难。PP管可做到DN500，布线会简单，支架应用会更少，避免支架过多对洁净厂房带来不必要的震动（防微震是TFT行业需注意的）。6）综合分析：一般 8 英寸及 12 英寸半导体厂房的水质要求高，建议用 PVDF，为了节省初投资，纯水回水管道可以采用Clean-PVC或者洁净PP管代替PVDF，由于纯水回水需经过抛光系统的再次处理，所以即使回水中有较多的溶出物也不影响供水的水质，只是会影响抛光系统的维护费用，但长时间运行后维护费用的差别会逐步减小。对于 8 寸以下半导体、TFT-LCD、光伏等电子厂房的水质绝大部分用 Cl-PVC 或洁净 PP，欧美国家倾向于用洁净 PP 管，我们国家一般使用 Clean-PVC。3 系统的密封 纯水水箱水面上充入氮气（必须是高纯氮气，纯度不低于 99.999%,压力一般 0.3-0.7MPa），使箱内维持适当的正压力，防止空气与箱内水面接触，因为空气中含有二氧化碳、氧气、细菌、尘埃等杂质，然而超纯水为纯的溶剂，对空气中所含杂质的溶解能力很强，当超纯水与空气接触，就会使超纯水大的电阻率迅速下降，据了解：实践证明 15M.cm 以上的超纯水暴露在空气中 1 分钟后水质就会下降至 3-4M.cm，3 分钟以后就会下降到 2M.cm 左右，因此超纯水系统的储存容器需确保水体与空气的隔绝。纯水氮封采用 PN2 的用气量：PN2 的用气量=（UPW最大送水量因素需气量+水箱容积补偿量）1.018；UPW 最大送水量因素需气量=水量（m3/h）0.5933 4 施工管理（1）严格管理：质量监控人员针对本工程情况编制质量计划，设置质量控制点，在安装中严格按质量控制计划，科学管理。（2）提高工人洁净意识 超纯水系统施工要注意提高施工人员的洁净意识，使他们能自觉的按照洁净管道施工作业指导书要求去做，根据水处理不同阶段的不同要求进行施工，以避免因施工不当对管道造成污染，使得处理水质达不到设计图纸要求，引起质量事故的发生。5 系统运营 以某项目为例，项目纯水指标较高,调试完成后交业主运营，虽然对业主运营人员进行培训，但正式运营后还是出现很多问题。（1）运营要连续 由于生产处于调试阶段，纯水系统运行不能保证，有时长时间处于停运状态，管道内纯水长时间停留，产生死水，致使管道内水质不达标。（2）设备规范运行 纯水系统从运行调试以来，水质没有完全达标，B离子、TOC 指标含量更是居高不下，厂家也来过现场检查，发现树脂失效，提出需要更换树脂，纯水厂家原计划两年更换树脂，现在纯水运行不到半年就需要更换树脂。6 结论 纯化水系统投入使用后，总会出现各种各样的水质问题，如微生物、电阻率（电导率）、总有机碳、硝酸盐及亚硝酸盐、重金属等超标。综合分析得出，从管路系统设计，分配管道材质选取、施工过程管理及后期的运营管理，只有在每一个环节都做到可控，才能生产出合格、高品质的纯化水。参考文献 1中华人民共和国住房和城乡建设部.电子工业纯水系统设计规范:GB50685-2011M.北京:中国计划出版社,2012.2丁恒如,吴春华,龚云峰.工业用水处理工程(第 2版)M.北京:清华大学出版社,2014.