洁净管道的设计要素与安装管理要点探讨

2013-10-16杨敏皓

机电信息 2013年2期

杨敏皓

1 洁净管道定义与分类

洁净管道是指工艺设备前后及设备之间输送有洁净要求的工艺所用介质的管道。

在制药生产实践中，洁净管道主要有：（1）制药用水系统（纯化水管道、纯蒸汽管道、注射用水管道）；（2）制药配液系统（配液管道、清毒液管路等）；（3）制药用气系统（压缩空气管道、真空管道、氮气管道等）；（3）清洗/灭菌系统（CIP/SIP管道、洁净区给排水管道）；（4）净化空调系统（净化风管）。

2 洁净管道设计的要素

2.1 洁净管道设计的目的

洁净管道设计的目的：控制微生物、内毒素、可见异物。其中，控制微生物是控制中的关键要素。

在探讨控制微生物之前，首先要了解生物膜的概念。（1）生物膜就是微生物相互粘结并附着在设备或管道表面形成黏性的物质。超过90%的微生物的生成发生在生物膜上，生物膜能提供微生物生长的营养源，利于微生物的聚集与生长。（2）生物膜的表面会形成多糖层，这层外膜将保护细菌免受杀菌剂的破坏，使其更加耐化学或物理的消毒，普通的淋洗不能将其去除，对消毒也不一定能够从其附着表面清除。（3）对洁净管道液体的抽样常用来检测游离的细菌，而生物膜很难通过抽样检测出来。一旦生物膜形成，微生物的控制程度及频率均会增加。因此，管路设计灭菌策略时必须全方面考虑到这一点设计，需综合有效地清洗与灭菌。

2.2 洁净管道设计的原则

洁净管道设计的主要原则：（1）降低附着与积存风险；（2）合适的材料与表面处理；（3）合适的卫生级设备与部件；（4）合适的连接方式；（5）避免产生“虹吸”现象；（6）循环温度控制和惰性气体保护；（7）适宜的消毒灭菌方式；（8）降低运行成本。以下将对其中降低附着与积存风险、合适的材料与表面处理、合适的连接方式3个原则作一探讨。

2.2.1 降低附着与积存风险

降低附着与积存风险主要靠以下几方面来达到：表面可靠高剪切力的湍流设计、避免产生死角的设计以及自排净性设计。

2.2.1.1 表面可靠高剪切力的湍流

湍流时，虽然宏观上流体沿管道向一个方向流动，但从微观上看各质点的运动速度在大小和方向上都会随时发生变化。总有部分质点的运动方向相对垂直于管轴或管壁，在管壁表面形成一定的剪切力。这样残留物表面再也不会形成稳定的饱和层，溶解的速度就大大提高了，清洁效果也随之提高。因此，在清洗过程中，必须保证清洁液以湍流形式流动。

湍流状态对抑制微生物在管壁表面的附着有比较好的效果，通常认为雷诺数Re≥4 000时，流动类型属湍流。

2.2.1.2 避免产生死角

避免产生死角的设计原则便是3-6D法。尽管各种规定和提法（甚至测量方法）不尽相同，但目前所有提法都不是法规，而只是工程指南、建议或相应标准。

目前，较正式的原则有以下4个：（1）2001年ISPE水和纯蒸汽基准指南认为：从主管外壁开始测到支管盲端或阀门密封点的长度L≤3倍的支管直径D；（2）2009年ASMEBEP认为：由主管内壁到支管盲端或阀门密封点的长度L≤2倍的支管直径D；（3）1993年美国高纯水检查指南认为：由主管中心开始测到支管盲端或阀门密封点的长度L≤6倍的支管直径D；（4）WHO认为：由主管外壁到支管盲端或阀门密封点的长度L≤1.5倍的支管直径D。

2.2.1.3 自排净性

自排净性设计需考虑以下几点：

（1）水平管路要有坡度。比如，为保证排尽，水平管路应有不小于0.5%的安装倾斜度。又如，需要疏水的管道为了排水的需要斜度不小于2%，所有排水管必须聚集成一条排水总管。

（2）仪表安装形式也要自排净。

（3）水平管路变径时，偏心大小头（底平）用在管线上，应考虑完全排尽。同心大小头只能用在垂直管线上。

（4）隔膜阀安装角度。当需要在水平管道中使用隔膜阀时，必须保证按照隔膜阀生产厂家规定的角度在水平管道中安装隔膜阀，否则在流程设备运行中，隔膜阀的清空会遇到一些问题，不能完全排出阀体中的介质。但是，不同的隔膜阀类型、不同厂家生产的隔膜阀、不同公称流量的隔膜阀的安装倾斜角度是不同的，这往往给无菌流程设备的设计制造带来很大的麻烦。

（5）选用泵时，应带下排口。

2.2.2 合适的材料与表面处理

合适的材料与表面处理应考虑如下几点：标识、材质、厚度、尺寸、测试、热处理、表面状况、包装、偏差、最低检测要求、压力等级等。

2.2.3 合适的连接方式

管道连接首选是焊接（自动氩弧轨迹焊），其次快卡连接，再次卫生结构的法兰连接（4″以上），不使用螺纹连接。

焊接的方法比快卡连接的明显优点在于焊接形成连续焊缝，不必考虑快卡连接的密封垫错位、缝隙及其老化更换问题。

3 洁净管道安装的管理

洁净管道安装管理的流程如图1所示。以下对几个管理过程作一探讨性陈述。

3.1 施工环境

洁净管道安装时对施工环境有如下要求：

（1）预制场材料和预制品存放场地应彻底清扫干净，并铺设无尘的橡胶板或纸板；

（2）安装区域内，在进行卫生级配管作业时不得进行非不锈钢作业；

（3）安装区域内，在作业期间每日应清理废旧料和用吸尘机或湿净拖畚清洁1～2次；

（4）严禁将碳钢材料和附有油脂类的工具带入预制场所和现场清洁室；

（5）进入现场清洁室，必须穿戴清洁工作服、胶鞋和软质帽子。

3.2 施工工艺程序、施工现场图纸、焊接方式规范

根据设计图就现场情况绘制现场施工工艺图，确认管网平面的统一倾斜方向，确认管网系统中每一个焊接点有足够的操作空间。制定每条焊缝的充氩方式，确保焊接焊缝时有足够的氩气保护。

3.2.1 焊接条件

管口对焊时必须保证干净、平直，正圆及配合良好。在切断管道时一般不采用润滑剂（必要时可用清水），注意保证切口平整，使用专用工具处理毛刺不得损伤管口或修成梯口，焊口对接时不得错边。

3.2.2 焊接规范

（1）充气。用卡盘或卡箍固定好所需焊口，用端盖将管道封起并用充气器检测管中含氧量小于1%即可。充氩保护是高等级卫生管道焊接过程中非常重要的步骤，无氩或缺氩保护，会造成管道内壁焊缝发黑呈不规则层叠熔岩状。

（2）点焊。无论自动焊或手动焊，都需手动方式对焊口进行点焊，沿外圆均匀分布，以对焊缝完整熔接不产生影响为准。

（3）焊接。管道焊接最重要的一环，焊缝熔接的质量除受上述有关因素的影响，还与环境、人及其他因素有关。例如：供电网电压波动、焊机电流波动导致焊针拉弧温度变化。手焊时，焊针的研磨及拉弧的距离和可能忽略的环境温度、风的影响，都可能影响到焊缝质量。

目前，常用的自动焊机是焊针围绕管材旋转焊接，焊针在上升或下降焊接过程中，材料上下温度不同，有可能使管道内壁焊缝产生层状堆积，因此要注意焊机的速度及电流调整。

3.2.3 焊缝检验

在卫生管道焊接工程中，每道外焊缝都需仔细检查，内缝可通过内窥镜或抽样检查。

焊缝缺陷大致分为：（1）可补救型。电流过小、速度过快、收弧太早造成的未焊透；管内不清洁、湿气太重、充气量过大产生的内缝气孔；速度不均、收弧太早引起的内缝针眼都可充气后重新焊接。（2）割除型。电流大、速度快产生的裂缝、裂纹；电流大、速度慢造成的烧伤、烧穿；保护气体异常引起的结晶；含氧量过高引起的碳化均需割除焊缝热影响段重新焊接。

3.3 材质、材料管理

（1）首先要求供应商提供加工工艺的全过程处理文件，确认可行后，甲方要求乙方提供每一过程处理结果的质检报告，并提供处理样品确认后，再进行下一步骤。关键工艺的处理过程甲方尽可能现场监督，重点对不锈钢管材内壁的机械抛光及电化抛光进行监测。钝化、清洗后，乙方整理出一套完整的工艺过程质检报告，随材料文件一并供给甲方。

（2）外包装检查有无破损、污染、水渍等情况。

（3）管道外表标识（材质标号、管径及壁厚、洁净度级别、粗糙度等级、标准号、生产厂标等）是否符合设计要求。

（4）外观检查：主要对不锈钢管材、管件的抛光、钝化、粗糙度、锈迹划痕、条斑、管口的毛刺处理及卫生保护情况进行检查。重点检测：管材的直线度、管口平面与管壁垂直以及垂直弯头、凹凸法兰、三通的检测。

（5）安装前对管材及管件进行抽样加压测试。

（6）包装、运输、存放：管口处要求包有硬质PVC盖，整体用软质PVC袋进行包装，紧密排放，封箱运输，入库或出库搬运时要求工人戴白手套进行搬运，不使用时不得拆掉PVC外包装。

（7）预制堆放区域清洁卫生，无尘且远离腐蚀性物体，并避免与碳钢材料接触。堆放一般不超过4层，层与层之间用等尺寸木垫均匀垫置，距离视管径而定，一般为D≤1.5m。

3.4 保护材质管理

保护材质管理需做到以下几点：

（1）以出厂时的标识，区分品种、材质、规格保管；

（2）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；

（3）保管期间，材料保持出厂包装完好，不得拆封；

（4）材料以当天的工作量领用，不得超量领用；

（5）作业时，不得赤手触摸管子、管件、阀门内表；

（6）材料保管范围内，不得带入碳钢材料，并应保持清洁，每日用吸尘机或湿净拖畚清洁1～2次；

（7）材料在入库前应进行对材质证明书、规格、型号、堵封和包装等检验，不合格品不得入库。

3.5 安装准备检查

安装准备检查工作主要有以下几方面：

（1）具有资质的作业人员已接受施工交底，了解工程情况、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相关要求和规定；

（2）卫生配管材料已具备，有材料质量合格证书，并有妥善保管场所；

（3）与卫生配管相关的工艺设备已安装就位，并确认合格，可以配管；

（4）施工用设备，如自动氩弧焊机、切管机等状态良好，可用；

（5）施工用量具、仪表已经鉴定，并在有效期内；

（6）作业环境整洁，符合卫生管道作业要求。

3.6 现场安装

在现场安装时需注意以下几个方面：

（1）安装区域内，不得进行非不锈钢工作，场地在使用前应彻底清扫干净和铺设无尘的橡胶板或纸板。

（2）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。

（3）预制场地的待用材料，非到用时不得拆封和去除标识。

（4）卫生管的切割和坡口加工：1）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污和灰尘，割刀专用；2）切割下料尺寸，严格根据图纸的指示；3）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；4）切割后管口毛刺用锉刀去除，锉刀专用；5）切割面用洁净无毛白布蘸酒精擦拭；6）切割面应平整，并与管中心线垂直，符合自动氩弧焊机进行Ⅰ型坡口和无间隙焊接的需要。

（5）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。

（6）预制段管端应用塑料帽堵封严密，并用发泡塑料薄膜包装。

同时，安装时应特别注意：（1）预制后的管道主件安装时不得强力拉伸或挤压，在热胀冷缩过程中所有管线能伸展自如。（2）管线中的杯口及法兰安装平直无错位，现场焊接时必须考虑收缩量。