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不锈钢卫生级液体管道的施工要素

宝正网-制药机械设备【www.baozheng360.com】 / 2014-07-23

   不管是制药,还是食品工业生产均离不开不锈钢液体贮罐与管道,制药生产的GMP实施以来,人们更加关注生产设备与管道的耐蚀可靠性,而其中不锈钢液体的管道占了很大比例,尤其对生物制剂生产中所用的不锈钢液体管道有着进一步的要求。然而,在关注不锈钢液体管道施工的同时,其技术支撑不是单一专业所能达到的,此项技术是集化工设备、金属材料、焊接、防腐蚀、制药工业、生物、压力容器与管道、食品等专业于一体。可以说,不锈钢液体管道的施工在整个生产系统中尤为重要,因此笔者结合自己在生物制剂项目的实践,探讨一下不锈钢液体卫生级管道的施工要素。

  1 不锈钢液体管道易产生的问题及分析

  在制药生产设备(特别是管道)中大量使用了不锈钢,其中以奥氏体不锈钢居多,其制造大量使用焊接工艺来完成。不锈钢液体管道应用中最易发生两类问题,一是“穿孔裂纹”,二是“红锈红水”。

  1.1 不锈钢液体管道产生“穿孔裂纹”问题的分析

  由于此类管道内部介质是液体,其介质中均或多或少地含有Cl-。有人认为:奥氏体不锈钢易受Cl-侵蚀的主要原因在于其在氯化物的溶液中不耐应力腐蚀,且易发生点蚀和缝隙腐蚀。也有人认为:奥氏体类不锈钢常见的腐蚀有晶间腐蚀和点蚀二类。

  1.1.1 晶间腐蚀

  当奥氏体不锈钢在制造和焊接时,加热温度和加热速度处敏化温度区域时,通常的奥氏体不锈钢在450~850 ℃会改变材料晶格结构区域部分的元素成分比例。材料中过饱和碳就会在晶粒边界首先析出,并与铬结合形成碳化铬,此时碳在奥氏体内的扩散速度比铬扩散速度大,铬来不及补充晶界由于形成碳化铬而损失的铬,结果晶界的铬含量就随碳化铬的不断析出而逐渐降低,形成所谓的贫铬区,使电极电位下降。当与含Cl-等腐蚀介质接触时,就会引起微电池腐蚀。虽然腐蚀仅在晶粒表面,但却迅速深入内部形成晶间腐蚀。

  晶间腐蚀影响因素:当温度在敏化区域外,碳原子不可能造成晶界的贫铬。只有当温度在敏化区内加热温度呈梯度关系,则会造成贫铬区域。此外,还与其含碳量有关,含碳量越多其扩散量越多,碳化物形成量也越多,使得晶间腐蚀渗入晶界的深度加大,从而引起晶间腐蚀。

  1.1.2 点蚀

  奥氏体不锈钢与含Cl-等腐蚀介质接触时,Cl-在材料钝化膜的缺陷地方,如夹杂物、贫铬区、晶界、焊缝热影响区或位错等处,侵入钝化膜,与金属离子结合形成强酸盐而溶解钝化膜,Cl-使膜产生缺位破坏,形成“钝化—活化”微电池,产生点状腐蚀,腐蚀电流使材质产生穿孔。

  点蚀影响因素:含铬量增加,就不会产生点蚀。但含铬量对晶间抗贫铬无益。而增加钼的量会大大提高耐点蚀能力,这与Cl-结成MoOCl2保护膜有关,从而防止Cl-穿透钝化膜。

  1.2 不锈钢液体管道产生“红锈红水”问题的分析

  所谓管道产生的“红锈红水”是在容器或管道内壁产生发红色或其他色斑迹区域(有人也称之为“红斑”),并使通过的水产生淡红或棕黄色。有人对色斑作过分析认为:“红斑”的主要成分为铁的氧化物(Fe2O3,Fe3O4),也可能包含铁、铬、镍和其他微量元素。

  一般奥氏体不锈钢中含有铬元素成分,在空气中铬与氧结合成坚固表面并形成绵密的不氧化状态保护膜,这种膜可防止钢材表面的氧化作用,且可发挥保护表面作用,以防止各种腐蚀因素的腐蚀。倘若,此种保护膜若因某种腐蚀原因而受到损伤,又放在铬与氧无法结合之处,不锈钢就会开始产生“红锈”。可以说,“红锈”是腐蚀的证明,其根本原因是氧化膜的破坏。

  2 GMP对制药设备的要求

  笔者查阅了GMP与cGMP相关文件,把涉及到金属管道的相关要求做一归纳:(1)GMP(98版)[5]第32条认为:“与药品直接接触的设备表面应光洁、平整、易清洗或消毒、耐腐蚀,不与药品发生化学变化或吸附药品。”第34条认为:“……储罐和输送管道所用材料应无毒、耐腐蚀。……”;(2)GMP(98版)附录[6]第二节3款认为:“与药液接触的设备、容器具、管路、阀门、输送泵等应采用优质耐腐蚀材质,……。过滤器材不得吸附药液组份和释放异物。禁止使用含石棉的过滤器材”;(3)美国cGMP[7]中211.65条(a)款:“设备表面与组份、中间物料或药品接触时应不起反应,无吸着、吸附作用,以不致改变药品的安全性、鉴别特征、含量(或效价)、质量或纯度而使之超出法定或其他既定要求。”

  3 不锈钢液体卫生级管道的施工要素

  GMP对不锈钢液体卫生级管道只作整体方向性指导,但没有详细规定应怎么去做,只能以上述GMP为指导,结合本人这几年项目工程的实际谈一下自己对施工要素的看法。

  3.1 不锈钢液体卫生级管道施工前的准备

  (1)对具有资质的施工人员进行施工交底,谈清工程情况、施工技术要求和相关施工规范,特别是卫生级配管方面的清洁和GMP的相关要求和规定;

  (2)卫生配管材料进入现场需有材料质量合格证书,并应提供妥善的保管场所。在保管中,应分品种、材质、规格分门保管。管子、阀门、管件、特殊部件置于木制货架上,若置于地面上,地面应铺设无尘的橡胶板或纸板。同时,材料保管范围内,不得带入碳钢材料,并应保持清洁;

  (3)与卫生配管相关的工艺设备安装就位,并确认合格,可以配管。

  3.2 不锈钢液体卫生级管道的施工环境

  (1)施工场地应彻底清扫干净,并铺设无尘的橡胶板或纸板。在作业期间每日应清理废旧料并用吸尘机或湿净拖畚清洁1~2次;

  (2)在进行卫生级配管作业时不得进行非不锈钢作业,同时严禁将碳钢材料和附有油脂类的工具带入现场;

  (3)进入现场,必须穿戴清洁工作服、胶鞋和软质帽子。

  3.3 不锈钢液体卫生级管道的切割

  (1)施工机械、工具在使用前需进行检查,并彻底清洗,表面不得有油污和其他脏物。同时,待用材料非到用时不得拆封和去除标识;

  (2)卫生管切割需用专用的不锈钢轮式切割机或使用专用的轨道切割机进行,切割机在使用前必须彻底清洗表面油腻和灰尘,割刀专用;

  (3)严格根据图纸的指示,切割下料尺寸;

  (4)切割时管内填塞无毛白布,白布上栓白线绳,白线绳必须露出管外10 cm以上,防止切屑进入管内,切割后取出白布;

  (5)切割后管口毛刺用锉刀去除,锉刀专用;

  (6)切割面用洁净无毛白布蘸酒精擦拭;

  (7)切割面应平整,并与管中心线垂直,适合自动氩弧焊机进行Ι型坡口和无间隙焊接的需要。

  3.4 不锈钢液体卫生级管道的焊接组装

  3.4.1 卫生级管道的预制

  (1)严格依照图纸指示的分段进行预制段的组装,封闭段的制作,待各预制管段安装并经测量后再进行组装;

  (2)预制段管端应用塑料帽堵封严密,并用发泡塑料薄膜包装;

  (3)按照图纸核对预制段编号,编号写于贴在预制段的不干胶纸上,再用透明胶带固定。

  3.4.2 卫生级管道的焊接控制

  (1)对焊条的选用,应考虑低碳性,使焊缝呈趋超低碳性。若基材为316L时选A022(根据HGJ15—89),其焊条中熔敷金属中含有稳定化元素Nb,因Nb比Cr亲碳能力更强,使Nb与C元素优先形成碳化物析出,避免贫铬现象,以防止晶间腐蚀;

  (2)卫生级管道优先选择自动氩弧焊,其氩气的纯度达99.8%;若有特殊处需手工氩弧焊时,应采用快速冷却,低电流,以防焊接接头过热,焊后快速冷却;

  (3)卫生级管道采用直流电源的正极性焊接是最理想的,同时氩弧焊的焊接电压一般控制在10~20 V;

  3.4.3 卫生级管道的装配

  无论是对焊接接头实施自动焊还是手工焊前,都要进行管道装配,其包括接头的对接和定位焊接。

  (1)管道对接焊接时,必须保证正确的接头间隙和接头的对正性。为了保证焊接接头不出现错位现象,可用靠模来检验;

  (2)对接正确后就可进行定位焊接,以防止在焊接过程中由于焊件翘曲变形等原因使焊接接头待焊处出现错位等现象,其可采用交叉点焊法进行定位。

  3.4.4 卫生级管道的焊接接头表面处理

  卫生级管道的焊接作业完成后均应进行表面抛光处理。同样在焊后检查确定焊缝表面存在外观形状缺陷,也必须进行处理,将缺陷全部消除。根据实际情况可以采用机械修磨与电化学抛光、化学抛光相结合的方法进行处理,有必要时还应采取合理的补焊工艺加以修补,使表面达到卫生管道所要求的标准。另外,机械修磨的部位必须修磨成圆滑过渡状再采用化学或电化学抛光。

  3.5 不锈钢液体卫生级管道的焊后处理

  (1)管道焊接接头作业完成之后,对照图纸、焊接工艺要求,检查焊接是否符合设计及规范要求,对焊接接头进行质量检查;

  (2)焊接接头质量检查后,应进行管路试压,试验压力一般取管道工作压力的1.5倍,并且不得低于0.3 MPa。试验介质根据卫生管道内输送的介质不同而不同,如注射用水、纯化水等液体输送道可用纯化水试压,又如纯蒸汽、洁净压缩空气等管路可用洁净压缩空气试压。检查结果无渗漏为合格。

  3.6 不锈钢液体卫生级管道内处理

  为保证洁净管道系统内表面的洁净程度,使所输送的洁净介质不与管道内表面的金属离子发生化学反应,不污染介质,保证产品质量,必须对管道内表面进行脱脂、酸洗、钝化处理。

  3.6.1 操作前准备工作

  (1)整理设计图纸、施工记录,画出管道竣工图,包括各使用点的位置、阀门的布置、管径及长度等;

  (2)根据洁净管道的管径和长度计算出管道的总容积V1,配备一个容积V2=1.5 V1的配液槽和一个容积V3=2V2的酸碱中和罐(用来中和管道脱脂、酸洗、钝化所排出的污水);

  (3)再根据配液槽的容积、装料系数及所配酸碱液的浓度计算并准备好足够使用量的酸碱;确保管路与配液槽、循环水泵构成一循环系统。

  3.6.2 酸洗钝化操作程序

  (1)纯化水预冲洗,先循环冲洗15~30 min,然后一边排水一边加入纯化水,直至排出的水清洁,无可见异物;

  (2)脱脂,往配液槽中加入NaOH,配成3%的NaOH溶液,循环2 h后,通过中和罐中和处理后排放。然后立刻进行水冲洗,循环10 min后,边进水边排水,待出水为中性时停止;

  (3)酸洗,往配液槽中加入48%HNO3和99%HF,配成20%的HNO3溶液和3%的HF溶液,循环1.5 h后,通过中和罐中和后排放。然后立刻进行水冲洗,循环10 min后,边进水边排水,待出水为中性时停止;

  (4)钝化,往配液槽中加入48%HNO3,配成20%的HNO3溶液,循环2 h后,通过中和罐中和后排放。然后立刻进行水冲洗,循环10 min后,边进水边排水,待出水的电阻率与进水一致时,再循环冲洗15 min。最后将管路全部排空,关闭各阀门将系统恢复到正常状态。

  (5)效果检验,将配制好的赤血盐硝酸溶液涂在内表面上,观察变色情况,5~10 s变色为不合格,10~20 s变色为合格,如20 s以上才变色表明酸洗钝化效果优良。

  3.6.3 其他

  管路在正式使用前还必须用纯化水冲洗一道,再用纯蒸汽进行工艺消毒(按工艺要求执行)。

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