生物医药洁净管道系统设计与安装

生物医药洁净管道系统设计：

1. 设计标准：

①GMP ：符合GMP规范；②FDA：美国医药食品管理局的标准。

2 、设计的基本步骤：

①由医药设计院、医药工程公司、厂家自己确定工艺用水的平均流量和峰值流量；

②由平均流量和峰值流量计算出管道的基本尺寸，并确定管道的标准(如BS、ASME、DIN、ISO、SMS等等)；

③根据用户工艺的需要适当选择材料（管道、阀门、水泵等）；

④确定施工方案(包括二次设计、切割方案、焊接方案等)；

⑤施工方案直接牵涉工程质量，它要比管道的光洁度还要影响工程质量，所以应以足够重视；同时，这也与投资预算有直接关系，一般来讲，采用自动环形氩气保护轨迹焊+卡盘连接会比全卡箍连接节省 30%左右；

⑥安排具体施工及工程质量检查(包括外观检查、压力试验、X光探伤等)；

⑦工艺文件准备(施工设计图、材质单、资质认证书等)。

生物医药洁净管道系统材料选择：

1 、管道的选择

（1）了解管道的标准及制式：

ISO —International Organizationfor Standardization，国际标准化组织；

SMS —Switzerland manufacturingsystem，瑞典工业标准；

DIN —Deutsche Industry-Norm，德国工业标准；

BS —British standard，英国标准；

ASME BSP1997 —AmericanSociety of Mechanical Engineers，美国机械工程师协会；

JIs —日本工业协会标准。

（2）材质选择

为了使工艺用水管道具有生产和加热杀菌过程所必须的耐高温、抗腐蚀结构性能，制药设备和管道系统绝大部分均采用不锈钢材料。

最常用的一般为：AISI 316L、AISI 316与AISI 304。

①一般 AISI316L是目前医药工业常用的材料,因为；

②焊接特性—非常适合手工和自动焊接（轨道焊接）；

③容易成型和处理；

④抗腐蚀性能好；

⑤易于用蒸汽和过热水灭菌。

注：316L与316只是含碳量不一样，316L为低于0.03%，316为低于0.07%。这也是注射用水为什么必须选择316L材质的原因。

（3）管径的确定：取决于流量要求。

流量一般为生产任务所决定，所以关键在于选择合适的流速。若流速选得太大，管径虽然可以减小，但流体流过管道的阻力增大，消耗的动力就大，操作费随之增加；反之，流速选得太小，操作费可以相应减小，但管径增大，管路的基建费随之增加。所以当流体以大流量在长距离的管路中输送时，需根据具体情况在操作费与基建费之间通过经济权衡来确定适宜的流速。一般来讲，当液体流速在1.5-2.5m/s 时,流量见下表：

管径	流量(t  / h)
	正常	最大	最小
Φ25.4×1.5	3.6	6	1.8
φ38.1×1.5	8	12.3	4.1
Φ50.8×1.5	14.6	21.9	7.3

（4）内表面粗糙度的要求：

不锈钢管道或管件的内表面粗糙度是指材料表面高度偏差的平均数，用Ra表示，单位是μm 。Ra值越大，材料表面的粗糙度就越大。

注：

①在制药用水系统中，从减少微生物和杂质的滞留，控制生物膜的生成     等方面考虑，与工艺用水相接触的部分材料表面粗糙度应在0.25-0.65 μm为宜。但应以具体的工艺要求，适当选取。

②表面粗糙度与系统的在线清洗和消毒的质量与时间有着密切的关系。Ra越小，系统清洗或消毒所费的时间也就越短。反之，则就越长。

一般情况下，制药行业洁净厂房内工艺用水管路选材如下（仅供参考）：

注射用水管路—内表面机械抛光 Ra=0.45μm，外表面机械抛光 Ra=0.8μm ；

纯化水管路—内表面机械抛光 Ra=0.45μm，外表面机械抛光 Ra=0.8μm；

药液管路—内表面机械抛光 Ra=0.45μm，外表面机械抛光 Ra=0.8μm；

纯蒸汽管路—内表面机械抛光 Ra=0.45μm，外表面机械抛光 Ra=0.8μm；

洁净压缩空气管路—内表面酸洗钝化，外表面机械抛光Ra=0.8μm；

自来水管路—内表面酸洗钝化，外表面机械抛光 Ra=0.8μm。

2 、管件的选择：

根据系统的设计方案，管件的选择一般分为以下几种：

①根据焊接方式分：

加长式管件(管件带直段≥40cm)—自动焊接管件；

普通管件(零直段)—手工焊接管件；

②根据产地分：进口与国产；

③根据材质分：316L与304。

3 、阀门的选择：

根据工艺用水的不同类型，阀门的种类繁多，用途各异。通常用的有：隔膜阀、球阀、蝶阀、截止阀等

制药用水对阀门的基本要求是：在系统运行中，使用的阀门对工艺用水无污染、无脱落物、阀门材料具有良好的化学惰性、阀门的结构形式应不利于微生物和杂质的滞留、不会支持微生物的生长。

(1) 隔膜阀

由于隔膜法结构简单、零死角、密封性能好、便于维修、流体阻力小，因此被广泛用于制药行业的工艺用水系统中。

(2) 球阀

优点：洁净球阀用于高纯净度和无菌处理过程，操作简洁，旋转灵活，其低维修保养费用和洁净设计适用于使用蒸汽、液体和气体的设备，其适用范围从真空到高温高压，耐温高达450℃。

对于结构为三片式的洁净球阀其孔径与管径大小一致以致不产生沉淀物，保持流体畅通无阻，产生的扰流量最小进而可以使流体得到最大的流量，并且洁净球阀的最大优点就是可以安装在管路上任何方便的位置。

卫生级进口球阀材质一般为AISI316。

缺点：不过球阀的调节能力较差，不宜用作流量调节。结构上存在缺陷，在使用过程中存在液体滞流的现象。故球阀不宜使用在物料系统中。

(3) 其他阀门

a 、止回阀—大多使用在止回路上，阻止用水点的水回流到循环系统中；

b 、闸阀；c、截止阀；d、蝶阀；f、疏水阀；e、罐底阀。

一般情况下，制药行业洁净厂房内工艺用水管路阀门选用如下（仅供参考）：

注射用水管路——卫生级隔膜阀；

纯化水管路——卫生级隔膜阀或卫生级球阀；

药液管路——卫生级隔膜阀；

纯蒸汽管路——卫生级球阀；

洁净压缩空气管路——卫生级球阀；

自来水管路——普通球阀。

4 、水泵：

制药用水系统中水的输送主要是靠 离心泵。

按离心泵的叶轮级数来分可分为：单级离心泵和多级离心泵。在用途上，严格的来说：

多级离心泵—一般用在系统的循环供水上；

单级离心泵— 一般是作为卫生级水泵而使用在注射用水和药液的输送上。

水泵在使用过程中应注意以下几个方面：

a 、介质温度：多级离心泵：卧式-- -15℃～+110℃；

立式离心泵：15℃～+120℃（根据轴封的形式而定）；

单级离心泵：-15℃～+140℃。

b 、安装方式：泵在安装时必须使电机主轴保持水平方向，以使电动机的冷却风扇有足够的空气供给。并且，泵应有一个牢固的基座，如需要可用螺钉固定。水泵的进出口必须装配有阀门，并且应尽量减小进出口的阻力。

c 、注水启动：泵腔内装满液体后才能起动。

d 、启动前检查：检查转动方向从电动机风扇方向看，泵应逆时针方向转动。风扇盖上的箭头表明了正确的转动方向。

5 、其他附件：

在制药工艺管路系统中，管路附件一般包括：卫生级隔膜压力表，温度计、旋转清洗球、不锈钢过滤器等。

a 、卫生级隔膜压力表：在供水系统中，压力表的作用是通过压力为系统运行管理指示参数。一般使用在：

①水泵的出口-可以观察水泵的出口压力；

②系统的供水管路上—可以观察系统的供水压力；

③系统的回水管路上—可以观察系统的回水压力，同时可以知道系统的水阻；

④过滤器的进出口—可以监测过滤器滤芯是否被堵；

⑤承压设备接口—可以监测设备内部的实时压力同时，通过系统中的压力表，在管路消毒时，可以监测系统的实时压力。

注意事项：表壳顶部设有充液塞，通过向表内充液可有效的降低表针在工作中的振颤。同时，还可延长表内机件的使用寿命。在车间管理的过程中切勿将表壳顶部的充液塞拔掉。

b 、温度计：在生物制药行业中，对液体或蒸汽的中低温度进行直接测量的设备通常我们选用温度计，其结构形式有轴向型、径向型和多角型。一般使用在：

①注射用水供水管路—可以观察出水温度；

②注射用水回水管路—可以观察回水温度；

③换热设备的进出口—可以观察换热设备的换热效果。

c 、旋转清洗球：在制药用水系统的贮罐和工艺设备中，为了保持罐内清洁度的均一性，有效的避免微生物的污染，需要设置在线清洗装置或设备。通常使用的是旋转式清洗球。

旋转清洗球的工作原理：主要是依靠液体流动时产生的反作用力来推动其旋转，使液体喷淋在罐的周壁，因此不需要外部动力。所以，在安装完毕之后，一般不需要用户自己去做调整。通常选用的LKSB45型的旋转清洗球可以进行高温消毒。

生物医药洁净管道系统施工与安装：

在制药用水系统中，管道与管道之间的连接、管道与弯头、三通等管件之间的连接，以及管道与各种阀门的连接，是系统安装过程中的一个及其重要的环节。这些连接的方式与连接质量的好坏，直接影响到工艺用水系统的运行和将来生产出来药品的质量。

1 、连接方式

⑴ 焊接：首选的连接方式，特别是不锈钢材料的焊接。焊接方式多采用惰性气体保护焊接TIG，如氩气保护焊，氮气保护焊。一般可分为：手工焊接和自动轨迹焊接。

⑵ 快装卡箍卫生连接：一些与设备连接的接口处，为了方便以后的维修拆卸和安装。适用于经常需要拆卸的地方。

注：因为快装连接存在着一个明晰的缝隙（垫片），可能造成杂质和微生物的滞留，因此，原则上应该尽量采用以焊接为主，快装卡箍连接为辅。

⑶ 螺纹连接：一种传统的管道连接方式，由于螺纹本身结构死角，现在不用于工艺用水管路系统中。在饮用水和纯化水的前处理工序中勉强可以用。

惰性气体保护焊接：

惰性气体保护极其重要。在焊接过程中，焊缝附近的氧含量越低，焊接的质量越好。这种焊缝管道内壁的氧化铬保护层受破坏的程度最小。

另外，由于TIG焊接在焊接过程中不使用焊条，完全利用不锈钢自身材料熔接而成，这就最大限度地保持了焊接件的材料组分，有利于满足制药用水的防腐要求。

(1) 人工TIG焊接：

主要使用在系统位置狭窄，不能够采用自动轨迹TIG焊接的地方，以及自动轨迹TIG焊接前的管件与管件之间的定位点的焊接。

缺点：这种焊接方式的质量波动较大，表面的光滑程度较差，不锈钢管道的连接处由于加热的不均匀性以及焊接时间可能较长，造成的材料烧损区域较大，管道系统中金属的晶相组织变化的部分较大，不利于管道钝化处理后氧化铬层的生成。故这种焊接方式只是作为一种辅助的焊接方式来配合自动焊接的工作。

(2) 自动轨迹TIG焊接

这种焊接方法是制药用水系统中最为合适的管道连接方法。他的优点有以下几点：

①全封闭焊头同时保护管道内外两侧；

②无需填充材料；

③人为损失减至最小；

④自动焊接的各种条件参数具有复制性，不依赖与工人的焊接技术，并且方便整个焊接过程控制参数的记录存档，特别是通过计算机打印存档备查，满足药政管理部门需要数据记载的要求。

同时，他对焊材的要求如下：

①对不锈钢的端面精度要求较高：要求管道的端面在焊接时必须保持清洁；

②管件之间没有间隙，要求管道的整个断面垂直度好；

③对管材的公差的要求较高 ；

④对管道的端面圆度要求较高；

⑤要求管道的壁厚必须均匀；

⑥对参与焊接的管件直段有要求。

自动轨道焊接示意图：

合格的焊口验收标准如下：

①整个接口的焊缝应很平整、光滑、不得有缝隙或砂眼；

②焊接在一起的两个组件，其内表面应平整，光滑，有对接口处应具有良好的同心度，错边量大于百分之十壁厚（≥10%S），为不合格。

③焊接完成后，焊缝处应几乎没有颜色的变化，可允许有黄色或稻草色，但不允许有蓝色和黑色，任何情况下，都不允许出现气泡或碳化（出渣）现象。

④焊接口处不允许出现气体保护压力过高所导致的凹凸面。内外表面焊缝高于或低于百分之十壁厚（≥10%S），为不合格 。自动焊接时，不允许补焊。

⑤缝区内不应有异物或夹杂存在。 

自动焊接注意事项：

①焊口外表面特别黑，有一点发紫，应调整氩气量或氩气纯度，切开后，重新焊接。正常颜色为橘黄色或微微有一点黑色，用擦布可以擦除掉。

②焊口宽度低于1mm，则必须切开重新焊接。

③同一焊口由于焊接质量问题，切开2次以上后，焊口两侧管应各去除20mm后，再进行焊接。

2 、切割方式

⑴管道切割机：

a. 转速低（300rpm），切片围绕管中心切割并旋转，没有温度升高，没有灰尘及切割瘤。

b. 切口与管道中心线垂直，可以实现自动焊接。

c. 工作效率很高，是最常用的一种方法。

⑵传统砂轮片（角磨机）：

a. 高速切割，产生高温，使316L中的铬（Cr）严重烧损，材质发生变化；

b. 有大量的尘土颗粒进入洁净管内部。造成清洗困难，费用增高；同时在自动焊接过程中，会严重影响焊缝的质量。

c. 会有许多切割瘤，飞溅在管道内部，与管道内壁焊在一起，用各种方式，都清洗不掉，为以后生产埋下许多隐患。

d. 由于切口与管道中心线不垂直，使自动焊接很难完成。

e. 切口处很难清理，工作效率极其低下。使工期得不到保证。

⑶ 传统手锯

a. 不用电力供应，设施简单。

b. 工作效率及其低下，切口不平。

⑷切割示意图

3 、管道安装

管道安装过程中应注意以下几个问题：

⑴   管路死角：

现行规范：从主管外壁开始3支管直径；老的规范：从主管中心开始6倍于支管直径。

⑵   管路坡度：

管道安装必须保证所有管内的水都能排净坡度一般为1% or1cm/m，此规范对WFI和PS均适用如有积水点，必须设置排水点或阀门排水点数量必须做到最少。

⑶ 管路的清洗：

由于管道在安装施工的过程中，在管道的内外表面肯定会附着或进入灰尘及杂物。因此管道在连接安装完毕后，第一部应该做的就是：管路的清洗。管路的清洗一般分为以下几步：

①首先用干燥的经无菌过滤的压缩空气吹洗数遍，将存留在管路系统中的尘埃杂物吹出系统中；

②用清洗液（可用去离子水或更高纯度的水）泵入管路系统中，循环20分钟左右。在此期间，工艺用水系统中所有的阀门及排放口都应在关闭的情况下开启至少 3 次；

③最终将系统内部残留的清洗液完全排放干净。

⑷ 管路的钝化

由于在焊接不锈钢管道的过程中进行的加热和冷却，会引起焊接处材料的微结构和表面状况发生变化，导致其比未焊接处的金属更容易受到腐蚀。

未经过钝化处理的不锈钢材料，通常在注射用水系统中使用1年左右后就产生铁锈。通过钝化处理，可以在管道表面形成一层钝化层。这个钝化层的作用是使不锈钢具有高度抗氧化和抗腐蚀的能力。

管路钝化的方法很多，下面就一种通用的方法介绍如下：

a 、用去离子水及化学纯硝酸配制8%的酸液，在49℃～52℃的温度下循环60分钟后排放；或者用3%氢氟酸，20%硝酸，77%去离子水配制溶液,溶液温度在20℃～30℃，循环处理10～20分钟，然后排放。

b 、初始冲洗：用常温去离子水冲洗,时间不少于5分钟；

c 、最后冲洗：再次冲洗,直到进出口去离子水的电阻率一致。

4 、管道的吹扫

1 、系统吹扫前的准备

a. 不参加吹扫的孔板、法兰连接的流量计、减压阀等仪表等必须拆除。对于焊接的上述阀门和仪表，应采取流经旁路或卸掉阀头及阀座加保护套等保护措施。

b. 不参与系统吹扫的设备及管道系统，应与吹扫系统隔离。

c. 检查管道支、吊架的牢固程度，必要时应予以加固。

d. 清洗排放的脏液不得污染环境，严禁随地排放。

e. 蒸汽吹扫时，管道上及附近不得放置易燃物。

f. 管道吹洗合格并复位后，不得再进行影响管内清洁的其它作业。

g. 管道复位时，应由施工单位和建设单位共同检查，并填写“管道系统吹扫及清洗记录”。

2 、系统吹扫采用蒸汽，吹扫压力不得超过管道的设计压力，流速不宜小于20m/s。管道系统吹扫时，宜按流程先主管后支管进行吹扫，吹扫过程中，当目测排气无烟尘时，应在排气口设置贴白布或涂白漆的木制靶板检验，5min内靶板上无铁锈，尘土、水分及其他杂物，应为合格。

3 、当采用水冲洗时，宜采用大流量，流速不得低于1.5m/s。水冲洗应连续进行，以排出口的水色和透明度与入水口水目测一致为合格。排水时，不得形成负压。

5 、管道的系统试压

a.  试验介质的选用：由于本工程的管道全部为蒸汽管道，固可用洁净水为试验介质进行压力试验。

b.  管道设计压力、试验压力、试验介质一览表

序号	管段	介质	设计压力（Mpa）	强度试验(Mpa)		严密性试验(Mpa)
				压力	介质	压力	介质
1	一级减压前	水蒸汽	1.76	3.43	洁净水	1.76	洁净水
2	一级减压后	水蒸汽	0.8	1.56	洁净水	0.8	洁净水
3	二级减压后	水蒸汽	0.6	1.17	洁净水	0.6	洁净水

试验应具备下列条件：

a.  试验范围内的管道安装工程除涂漆、绝热外已按设计图纸全部完成， 安装质量符合有关规定。

b.  试验前应将不能参加试验的系统、设备、仪表及管道附件等加以隔离，加盲板的部分应有明显的标志。

c.  试验压力表已经校验合格，并在周检期内，其精度不得低于1.5级，表的满刻度值应为被测最大压力的1.5~2倍，压力表不少于2块。

d.  试验方案已进行了技术交底。

试验步骤：

a. 将管线连成一个系统进行水压试验。

b. 先用厂内的自来水往管道系统里注水，注水过程中必须全部打开各高点排气阀进行排气，以防止管内积聚有空气。

c. 系统注满水后，关闭各高点排气阀，开始用试压泵升压。

d. 水压试验过程中应缓慢升压，升至试验压力的50%时停压检查，如焊缝、法兰等连接处无泄漏则升至试验压力的80%时停压检查各连接处，如有泄漏，应卸压为零后进行返修，然后升至试验压力，稳压10分钟，以焊缝、法兰等连接处无泄漏、管道外观目测无变形，压力表未下降为合格；然后降至设计压力，稳压30分钟，以各连接处无泄漏、压力不降为合格。

e.  试验结束后，应及时拆除盲板，膨胀节限位设施，排尽积液。排液时应防止形成负压，并不得随地排放。

f.  当试压过程中发现泄漏时，不得带压处理。消除缺陷后，应重新进行试验。

生物医药洁净管道系统文件资料：

工程竣工后，应为客户准备出一套完整的竣工材料，以便客户通过GMP认证和存档使用。一般包括以下一些内容：

①标准操作规程-SOP(详见操作规程一书)；

②材料证书；

③工艺用水系统的竣工图纸；

④自动TIG焊接的焊接打印记录及焊接试样（必须保证每个工作日至少有四分焊接试样：上下午开关机时各一次。

同时，各施工队必须在施工周期中做好施工日志及施工计划进度表，以便存档备用。