制药用纯蒸汽分配系统设计.doc

制 药 用 纯 蒸 汽 分 配 系 统 设 计林满阳（苏州东瑞制药有限公司，江苏苏州 215128）摘要介绍了制药用纯蒸汽的用途、定义和质量要求。介绍了纯蒸汽分配系统设计的基本原则和特殊要求，以及典型案例。对纯蒸汽分配系统的材料（管道和管件、阀门、疏水阀等）选用作了介绍。关键词洁净蒸汽；纯蒸汽；灭菌；分配系统设计中图分类号： TQ460.5文献标识码： A文章编号： 1008-455X(2011) 05-0024-10Design of Pharmaceutical Pure Steam Distribution SystemLin Manyang(Suzhou Dongrui Pharmaceutical Co., Ltd Suzhou, 215128)Abstract: The application, definition and quality requirement of pharmaceutical used steam were introduced in this article. Thefundamental principle and specific requirements in the design of pure steam distribution system as well as the material used for steamdistribution system were stated.Keywords: cleaning steam; pure steam; sterilization; design of distribution system1概述在制药工业中，纯蒸汽广泛应用于以下情况：（1）对反应罐、容器、管道系统等进行在线灭菌；（2） 对 直 接 接 触 产 品 的 包 装 容 器、 灌 装 设 备、 胶塞及可能与产品接触的工器具等的湿热灭菌；（3）作为隔离气体保持无菌屏障；（4）加湿。 纯 蒸 汽 既 是 影 响 消 毒、 灭 菌 效 果 的 主 要 因 素，也是消毒、灭菌过程中重要污染风险源。在上述设 备或系统风险分析时都是直接影响因素。纯蒸汽分 配系统是洁净公用工程验证的重点。除了选择合格、 可靠的纯蒸汽发生器外，设计科学、建造合理的纯 蒸气分配系统对于保证和监控纯蒸气分配质量至关 重要。纯蒸汽分配系统设计，首先要根据项目验证计 划，明确纯蒸汽分配系统的用途、质量标准和验证要求。然后根据国内外标准、规范、工程指南和工程实践，进行科学的设计和建造。2纯蒸汽的不同定义和质量要求国际上对于制药用纯蒸汽有不同的命名，主要 有洁净蒸汽（clean steam）和纯蒸汽（pure steam）， 对他们有着不同定义和质量要求。2.1美国 FDA 和美国药典（USP）美国 FDA 没有对制药用纯蒸汽的相关要求。 美国药典 USP33-NF27 在“纯蒸汽”条目和第1231 节“制药用水 - 纯蒸汽”中对纯蒸汽有明确的 定义和质量要求，归纳起来如下：纯蒸汽也被称为洁净蒸汽。纯蒸汽是已经加热 到 100 度以上的水，并且以防止源水夹带的方式被 蒸发，它不含任何添加物质。蒸气的饱和度或干燥度， 以及不可冷凝气体的总量均由纯蒸汽的具体用途决 定。纯蒸汽的目的是在蒸气或其冷凝物与物件或配 制相接触的情况下使用。纯蒸汽的质量在其蒸气状 态下难以评估；所以将其冷凝物的属性用于测定其收稿日期：2011-05-23作者简介：林满阳（1970）男，高级工程师，主要从事制药工程表 1 美国药典纯蒸汽冷凝水质量指标凝结水质量指标。国际制药工程协会在良好实践指南制药水和 蒸汽系统的调试和确认（2007）中，更多采用“纯 蒸汽”术语，并定义如下：纯蒸汽是蒸汽发生器生产的直接影响蒸汽，它 的凝结水符合美国药典或欧洲药典注射用水的质量 要求。纯蒸汽主要用于灭菌。用于国际标准制药生 产的纯蒸汽，还应符合欧盟标准 EN285 用于湿热灭 菌柜和容器在线灭菌（SIP）的不凝性气体的要求。 纯蒸汽也用于没有不凝性气体要求的用途。而 且 在 该 指 南 的 关 于 纯 蒸 汽 用 户 需 求 规 格 书（URS）条目中，有如下两条： 纯蒸汽产自发生器，凝结水应满足注射用水（WFI）的化学和内毒素质量要求。 纯蒸汽产自发生器，用于可渗透的装载物的 湿热灭菌时，干度值不低于 0.9；用于金属的装载物 的湿热灭菌时，干度值不低于 0.95；过热度不超过25，不凝性气体体积不超过 3.5%。有的蒸汽应用 不需要考虑不凝性气体限度。从国际制药工程协会不同版本指南可以看出， 纯蒸汽的定义和要求的发展变化。2.4中国 GMP 和中国药典药品生产质量管理规范（2010 年修订）没有 对提及灭菌用蒸汽或纯蒸汽。中国药典（2010 版） 也没有纯蒸汽条目。目前，国内普遍使用“纯蒸汽”这一术语，并 且 接 受 美 国 药 典 的 概 念。 但 普 遍 忽 略 了 纯 蒸 汽 用 于 湿 热 灭 菌 柜 和 容 器 在 线 灭 菌（SIP） 时 要 符 合 EN285/HTM2010 的相关要求，没有在纯蒸汽分配系 统中设计蒸汽质量取样点和冷凝水取样点。3纯蒸汽分配系统设计参数的确定纯蒸汽管道作为压力管道，管道的材料、设计 和计算、制作与安装、检验与实验等都要遵循压 力 管 道 规 范 - 工 业 管 道 （GB/T20801-2006）。 该 规 范 在 内 容 编 制 上 参 考 了 美 国 规 范 ASME B3.1 工 艺 管 道 （Processing Piping）， 在 结 构 上 参 考 了 欧 盟 EN13480 金 属 工 业 管 道 （Metallic Industrial Piping）。这部规范是与国际规范接轨的，可以参照 使用。（1）设计压力纯蒸汽湿热灭菌温度在 121135之间，对应 的压力大致在 0.10.22 MPa 之间。纯蒸汽发生器的 供汽压力一般在 0.20.5 MPa 范围可调，纯蒸汽分配 系统依据压力管道规范 - 工业管道第 3 部分第 4.1.12.2欧盟的相关要求欧 盟 GMP 附 录 1 无 菌 药 品 生 产 （2010） 第96 条：“注意确保用于灭菌的蒸汽有相应的质量要 求，并且包含的添加物的量不足以污染产品或设备。” 欧 洲 药 典 中 没 有 相 关 条 目。 但 是， 欧 洲 标 准 EN285 和 英 国 健 康 技 术 备 忘 录 HTM2010 专 门 对 灭 菌用蒸汽的质量要求、测试方法等进行了规定，而且这两个标准具有国际性。EN285 在第 13.3 条对灭菌用蒸汽质量作出了具 体规定，见表 2。表 2 EN285 规定的灭菌用蒸汽质量EN285 在附录 B 表 B.2 中，明确了在灭菌柜进口取得的灭菌用蒸汽凝结水的污染物指标， 主要指 标见表 3。表 3 EN285 规定的灭菌用蒸汽凝结水质量2.3国际制药工程协会（ISPE）国际制药工程师协会在基本指南 4水和蒸汽 系统（2001 版）第 7 章中，分析了各种特定用途 蒸汽的生产方法，综合了制药行业对纯蒸汽的不同 称谓和定义，用术语“洁净蒸汽”来代替所有的其 他叫法。并给出定义如下：制药洁净蒸汽是用不含挥发性添加物，如 ：胺或 联氨的已处理水制备的，并用于热消毒或灭菌工艺。 需要特别注重的是要防止注射药品受到这类污染。虽然该指南中提出了要进行纯度取样和蒸汽“质 量”取样。但没有给出洁净蒸汽的蒸汽质量指标和项 目凝结水质量二氧化硅 0.1 mg/l氯离子 0.1 mg/l 重金属，除铁、镉、铅外 0.1 mg/l 电导率 (25 ) 3 s/cmpH 值57硬度 ( 碱土总离子数 ) 0.02 mmol/l项 目质量指标标准条目不凝气 3.%(V/V)干度 ( 不饱和度 ) 0.95( 灭金属装载物 ) 0.90( 灭其他装载物 )过热度 2513.3.213.3.313.3.4项 目质量标准相关条目电导率2.1 S/cm，（25）645总有机碳500 ppm643细菌内毒素0.25 EU/ml85微生物10 cfu/ml条，通常可以把设计压力确定为 0.6 MPa( 下游直接连接设备设计压力超过此值的除外 )。（2）设计温度 管道系统中每个管道组成件的设计温度应按操作中可能遇到的最苛刻的压力和温度组合工况的温 度确定。同一管道系统中不同的管道组成件的设计 温度可以不同。依据压力管道规范 - 工业管道第 3 部分第4.1.2 b) 条，纯蒸汽分配系统作为外隔热管道，设计 温度可以取介质温度， 表压 0.6 MPa 的饱和蒸汽温 度为 163.03，通常可以设计温度确定为 180。（3）管道安全等级工 业 金 属 压 力 管 道 按 其 安 全 等 级 分 为 GC1、 GC2、GC3 三级。其中 GC1 级安全等级最高；GC3 安 全 等 级 最 低。 依 据 压 力 管 道 规 范 - 工 业 管 道 第 1 部分第 4.3 条，纯蒸汽分配系统的属于“输送 无毒、非可燃流体介质，设计压力小于或等于 1.0MPa 且设计温度高于 -20但不高于 186的管道”，安 全等级为 GC3。4 纯蒸汽分配系统设计一般原则纯蒸汽分配系统的设计，首先要符合蒸汽管路 设计的一般原则，主要有以下几点：（1）高压输送；（2）管径合理；（3）支吊架和膨胀量吸收装置布置合理；（4）避免水锤和使用点带冷凝水；（5）合理保温。4.1 输送压力纯 蒸 汽 发 生 器 的 供 汽 压 力 一 般 在 0.20.5 MPa 范围内可调，纯蒸汽分配系统的设计压力要根据使 用点的需求和节能输送综合确定。从节能的角度看， 蒸汽输送的原则是高压输送、低压使用。可以考虑 主管用较高压力，个别分支管道用减压阀减压的方 法来满足低压使用的需求。4.2管径计算 管道口径要根据供汽压力、供汽量，以一定的流速或压降限值来确定。通常称为流速法和压降法。 这两种方法都可以通过计算法或查表法求得供汽管 道口径。在确定蒸汽主管口径时，考虑到补偿设计 误差和未来可能的扩容，应该留有一定的余量。管道供汽量的确定，首先要确定各使用点的最 大、最小和平均用汽量，以及同时系数 ；估算疏水量， 再乘以一定的余量系数，即可求得管道供汽量最大、 最小和平均用量。管道流速一般选择在 1540 m/s。可以用流量除以面积求得。压降一般不宜超过 0.02 MPa/100 m。可以用经 验公式（1）求得：P = ( LVgm2 ) / ( 0.8D5)式中：P 蒸汽管道压降，MPa；L 管道长度，m； m 质量流量；kg/h Vg 比容，m3/kg；D 管道内径（m）。 具体管道口径确定方法如下：（1）计算法 工程实际中，经常采用流速法用以下公式（2）计算管道口径：（1）D = 4（Q/V）/ 1/2式中：D 管道内径，m；Q 蒸汽体积流量，m3/s；Q = msVgV 流速，m/s；ms 质量流量，kg/s；Vg 比容 (m3/kg)。例 1：车间各使用点需要 0.5 MPa 的纯蒸汽，供 汽量为 2000 kg/h，管道总长 200 m，流速不超过 25 m/s，试确定管径，并校核压降。解： 查表得 0.5 MPa 饱和蒸汽的 Vg = 0.319704 m3/kgQ = msVg = ( 2000/3600 )0.3197 = 0.1776 kg/s D=4(Q/V)/1/2 = 4(0.1776/25)/1/2 = 0.095 m 圆整取齐后，选择公称直径 100 mm 的管道。 P = (LVgm2)/(0.8D5)=（2000.319720002）/（0.81005）= 0.032 MPa每 100 m 的压降为 0.016 MPa，小于 0.02 MPa/100 m 的工程限值。（2） 查 表 法： 通 过 查 阅 工 程 手 册 或 设 计 手 册， 可以直接查得所需管径（内径或公称直径）。4.3膨胀量吸收装置和支吊架布置 管道支吊架除了考虑管道和介质重力应力外，更重要的要考虑热胀冷缩应力，通常与膨胀量吸收 装 置 布 置 综 合 设 计 安 装。 二 者 的 合 理 设 计、 安 装， 即是保证蒸汽管道安全、可靠运行的重要保障。也 可以避免水平管道管道下垂弯曲而使系统的自排尽 能力下降。4.3.1膨胀量计算 管道膨胀量用以下公式（3）求得：（2）L=Lt式中：L 膨胀量，m；L 支撑点之间的距离，m； 线膨胀系数，m/(m)；（3）T 形滑动支架（见图 1a）。固定支吊架宜选用夹紧管道的管道连接部件，滑动（导向）支吊架宜选用夹 紧管道的滑动或带滚轮的管道连接部件（见图 1b）。4.4避免水锤和使用点带冷凝水 蒸汽管道应有效保温，尽量减少冷凝水的产生。通过合理的设计、安装，有效疏水，避免水锤和使 用点带冷凝水。具体措施如下。4.4.1合理安排坡度与坡向 蒸汽水平管道应该沿蒸汽流动方向设计坡度，坡度通常不小于 1 : 100，便于凝结水在重力和蒸汽 的推动下，流向疏水点，通过疏水阀排掉凝结水。ASME BPE-2009 SD-3.12 条“ 自 排 净 ” 中， 对 重力自排净有明确要求，并在附表 SD-3 中作了明确 的规定，见表 5。在工程实践中根据管道口径、长 度确定。表 5 重力自排净管道的坡度值t 管道工作温度与环境温度之间的温差，K；t = t2 - t1。t2 管道工作温度，K；t1 管道环境温度，K；常用管道材料的膨胀系数见表 4。表 4 常用管道材料膨胀系数10-6/K材料钢号4.3.2膨胀量吸收膨胀量的吸收通常有以下几种方式和方法：（1）管道灵活布置：利用管道的长度和弯曲产 生的自然变形（柔性），吸收膨胀量。（2）预应力安装：冷态安装时，管道切掉膨胀 量的一半后拉紧组对，管道受单向拉应力；当温度 升高到温度范围的一半时，管道膨胀一半，管道不 受膨胀应力；当温度到达工作温度时，管道全部膨胀， 管道受反向压应力。（3）膨胀弯：以 形膨胀弯多见，且施工方便。（4）波形膨胀节：膨胀节形式多样，不仅可以 吸收直管的膨胀量，也可以吸收管系的膨胀量。波 形膨胀节等伸缩补偿装置由于不是卫生型结构，故 不适于纯蒸汽分配系统。4.3.3管道支吊架国标管道支吊架（GB-T17116-1997）不仅对 管道支吊架材料、设计、制造、安装、检验、试验、 运行进行了规范，而且对水平管道支吊架最大间距 进行了规范。由于纯蒸汽管道往往使用薄壁管，在管道外壁 焊接构件会影响内表面材料性质，所以不宜使用管 道连接部件（“管部”）焊接在管道上的支吊架，如4.4.2合理设布置疏水点通常在以下部位布置疏水点：(1) 每个末端和分支管上；(2) 直管每隔 30 m；(3) 垂直上行管的底部；(4) 热膨胀弯处；(5) 控制阀和切断阀的上游；(6) 每个使用点或取样点；(7) 其他产生冷凝水而不能自然排掉的地方。4.4.3合理引出分支管 分支管道应该直接从主管上方引出，可以防止蒸汽夹带凝结水和杂质进入支管，让干燥、干净的 蒸汽进入使用点。见图 2。图 2 分支管的引出方案4.4.4水平管道变径 蒸汽水平管道的变径，一定要选用偏心异径管接头（大小头），底平安装；不能选用同心异径管接图 1 管部连接方式坡度代号最小坡度 mm/m最小坡度 %最小坡度 GSD15GSD2100.50.291.00.57GSD3202.01.15GSD0不需要管道坡度温度范围（）0-10020-3160Cr18Ni81730178000Cr17Ni14Mo216001620头。见图 3。图 3 水平管道变径方法5 纯蒸汽分配系统管路的特殊要求为了向使用点供应符合工艺要求的质量和纯度 的纯蒸汽，并且便于质量监控和验证，纯蒸汽分配 系统的设计、建造除了要符合蒸汽管路设计的一般 原则，也有尤其特殊性。5.1疏水点的防倒吸 为了防止凝结水或污物从排水漏斗倒吸入使用点，必须采取物理阻断措施，即排水管口与排水漏 斗保持一定距离 H，通常取 50 mm。这种做法统称 为物理阻断排水漏斗或空气阻断排水漏斗。ASME BPE-2009 中使用点管道的物理阻断做法见图 4。图 5 仪表安装方式歇运行的分配系统尤为重要，对于一年只停起停一 两次的连续运行的系统则不是必要的。高点排空阀 通常选用热静力疏水阀。这是借用了热静力疏水阀 在温度达到闭合前的排空原理。同样，对于低点热 静力疏水阀也具有排空能力。高点排空阀的布置见 图 6。图 6 高点排空阀的布置5.4蒸汽质量取样点设计纯 蒸 汽 质 量 取 样 点 的 设 计 要 参 照 HTM2010/ EN285 标准。布置在湿热灭菌柜和 SIP 等关键使用点。 HTM2010/EN285 取样点要求尽可能的靠近使用点。HTM2010/EN285 取样点目前国际上已有标准产 品，有 1 和 1.5 两个规格，连接方式有焊接和快开 连接两种。结构尺寸见图 7。图 4 空气阻断排水漏斗5.2自排净为了洁净和无菌目的，系统的设计要尽量考虑 重力自排尽。具体要考虑以下几个方面：（1）合理安排坡度、坡向；（2）阀门或管件等的结构设计要尽量减少流体 滞留，按自排尽理念设计；（3）阀门、管件等内径要一致；（4）卫生型隔膜阀的安装要按照厂家自排尽安 装角度安装；（5）仪表安装尽量垂直安装。 纯蒸汽管道上经常需要安装温度、压力等传感元 件。 传 感 元 件 如 果 水 平 安 装， 盲 端 会 产 生 积 水， 达 不 到 自 排 净 的 要 求， 而 且 会 传 感 元 件 的 测 量 值 的 准 确 性， 尤 其 是 温 度 传 感 器， 应 尽 量 垂 直 安 装。 ASME BPE-2009 推荐的仪表安装方式见图 5。5.3空气排除 为了来排出空气等不凝气，通常在分配系统主管或分支管的末端安装高点排空阀。这一点对于间图 7 蒸汽质量测试弯头5.5蒸汽冷凝水取样点设置 要在纯蒸汽发生器出口、分配系统的末端、关键使用点、湿热灭菌柜和 SIP 站等部位设置取样点， 用冷凝器收集纯蒸汽分配系统的代表性凝结水样。 凝 结 水 质 量 要 符 合 美 国 药 典 或 欧 洲 药 典 注 射 用 水 (WFI) 的要求。凝结水取样点要尽量靠近使用点。湿热灭菌柜是纯蒸汽分配系统最重要的使用点。设计要点是：蒸汽测试弯头和凝结水取样点尽量靠 近湿热灭菌柜进气口，疏水阀支管引出点距离湿热 灭菌柜进口在 2 m 内。湿热灭菌柜的纯蒸汽分配系 统图见图 10。取样冷凝器有轻便取样冷凝器和移动取样车两大类。轻便取样冷凝器既可以固定安装一个位置； 也可以多点共用，某点使用时临时连接。移动取样 车通常自带冷凝器、凝结水收集罐、阀门和连接软 管等，用时与纯蒸汽取样点和冷却水系统通过软管 连接；也有移动取样车自带冷却水循环系统的。取 样冷凝器流程图见图 8。图 10 湿热灭菌柜的纯蒸汽图 11 反应罐在线灭菌图 8 取样冷凝器图 9 ASME 使用点做法5.8反应罐在线灭菌的纯蒸汽分配系统反应罐等容器类设备在线灭菌（SIP）时，如果 进料管如果连接过滤器或喷淋球，则不宜作为罐内 灭菌的进汽管，建议单独进汽。出料管可以考虑从 下游倒灭过来，具体要根据工艺流程来确定。参考 的流程图见图 11。工艺系统 SIP 设计原则是：合理 划分工艺链灭菌界面，不留灭菌盲点。5.9轴侧图在 P&ID 图和设备平立面布置图基础上，综合 空间规划，进行轴侧图的设计。参考的流程图见图12。取样分为两步，第一步是取样器的在线灭菌（也可以离线灭菌），第二步进行取样。5.6典型纯蒸汽使用点设计 使用点设计要点是：支管引出合理，进入使用点前要疏水，凝结水排放要用空气阻断排水漏斗。 ASME BPE-2009 推 荐 的 洁 净 蒸 汽 使 用 点 管 道 做 法 见图 9。图中体现了支管引出、坡向、切断阀选用、 热静力疏水阀的安装要求、空气阻断排水漏斗等设 计要点，没有体现蒸汽质量取样点和冷凝水取样点。5.7湿热灭菌柜的纯蒸汽分配系统图 12 纯蒸汽分配系统轴侧图例图6纯蒸汽分配系统的材料选用纯蒸汽分配系统所用的管道、管件、阀门和疏 水阀等材料要符合不锈钢卫生管子、管件的要求。纯蒸汽分配系统的材料材质，通常采用耐腐蚀 的奥氏体不锈钢，如：SS304L、SS316、SS316L(A270 标准 )。SS316L 耐腐蚀性更好；对硫等杂质控制更严， 有利于自动焊接质量保证。纯蒸汽输送管道的红色 锈蚀是不可避免，SS316L 材质管道会更轻微。纯蒸 汽分配系统采用 SS316L 材质，是目前广泛认同理念， 并普遍应用于工程实践。纯蒸汽分配系统内管件之间的连接方式有自动 焊接和卫生卡接两种方式。为了平滑过渡，必须选 用同一标准、同一规格、同一内径的材料。这一点 对于自动焊接尤为重要。纯蒸汽分配系统与工艺设 备管口的连接通常为卫生卡接，也要求设备管口与 纯蒸汽分配系统管件标准、规格相匹配。6.1管道和管件 纯蒸汽分配系统管道采用卫生级焊接管道（通称卫生级薄壁管或卫生管）。卫生级焊接管道是依据制药和（或）食品级管子标准，选择特定牌号、规 格的焊接管道经卫生加工处理（清洗、抛光、标识、 包装等工艺或工序）而成。所用的薄壁焊接管道是 依据标准（如：流体输送用不锈钢焊接钢管（GB T12771-2008）、ASTM A269/A270 等），采用在焊 接过程期间不添加焊丝的自动焊接工艺制作。国 际 上 卫 生 型 焊 接 管 道 标 准 较 多， 常 用 的 制 药 级 标 准 有 ASME-BPE， 欧 盟 的 DIN11866 和 DIN11850。ASME-BPE 是得到最广泛认可的标准。6.1.1管子规格尺寸ASME-BPE 只有一个规格系列，DIN11850 有 3 个尺寸规格系列，DIN11866 的 3 个尺寸规格系列覆 盖了 ASME-BPE、DIN 11850 的系列 2 和 ISO 1127， 见表 6。ASME-BPE 是以外径 (OD) 标称公称尺寸的， 而 DIN 标准的公称直径 DN 不代表具体的几何尺寸， 同一公称直径、不同系列的管子的几何尺寸是不一 样的，在设计选用时要注意。表 6卫生级焊接管道尺寸规格表6.1.2表面质量卫生管内表面抛光方式有机械抛光和电解抛光 两种方式。ASME-BPE 标准的把内表面的粗糙度分 为从 SF1-SF6 的 6 个级别，同样也适用于管件、阀 门 等， 见 表 7。DIN11866 有 从 H1-H5 的 5 个 等 级。 DIN11850 内表面只有一个等级：酸洗 Ra0.8 m， 但焊缝处 Ra1.6 m。由于纯蒸汽有自消毒作用，所以对管道内表面表 7接触产品表面粗糙度读数SF20.64机械抛光表面质量代号表面处理方法表面粗糙度 Ra 最大值 mSF0没有要求SF10.51机械抛光SF30.76SF40.38SF5+0.51SF6电解抛光0.64DIN 11866 系列 ADIN 11866 系列 BDIN 11866 系列 CDIN 11850，系列 2ISO 1127ASME-BPE公称直径 DNmm外径 壁厚 mm公称直径 DNmm外径 壁厚 mm公称尺寸 OD inch外径 壁厚 mm46.01.0 41/46.350.8968.01.0 6810.01.0 813.51.6 3/89.530.891013.01.5 1017.21.6 1/212.701.651519.01.5 1521.31.6 3/419.051.652023.01.5 2026.91.62529.01.5 2533.72.0 125.401.653235.01.5 3242.42.04041.01.5 4048.32.0 1 1/238.101.655053.01.5 5060.32.0 250.81.656570.02.0 6576.12.0 2 1/263.51.658085.02.0 8088.92.3 376.201.65100104.02.0 100114.32.3 4101.602.11125129.02.0 125139.72.6150154.02.0 150168.32.6 6152.402.77纯 蒸 汽 分 配 系 统 的 水 平 管 一 般 设 计 1%2%（0.571.17 的坡度），通常用弯头和三通与垂直管 连接，这就在两个管口端面之间出现夹角和间隙， 工程中通常会修磨管口，不能保证自动焊质量。可 以选择 88 或 92 弯头和三通。6.1.4卫生连接的耐压等级 纯蒸汽分配系统由管子与管件、阀门通过焊接和卫生卡接连接在一起。316L 卫生级薄壁管的耐压 等级可以参考 DIN11866 标准（见表 8），其中系列 C 管子与 ASME-BPE 标准一致。焊接和卫生卡接的 耐压等级参见 ASME-BPE 标准（见表 9）。要求没有其他药典水的要求高，选择机械抛光管就可以了。6.1.3卫生管件ASME BPE 有完整的管件标准。DIN 系列标准是 管子标准与管件各自独立，有相互对应的。DIN11865 是 与 DIN11866 对 应 的 管 件 标 准。DIN11851、DIN11852 是与 DIN11850 对应的管件标准。ASME BPE 用于焊接的管件（如：弯头，大小 头等）都留有用于轨道自动焊机焊头夹持的直管端， DIN11865 标准的管件也适合自动焊。而 DIN11851 和 DIN11852 标准的管件只能手工焊。表 8 管子在 150许用工作温度下的许用工作压力MPa备注： 许用工作压力依据 316L(DIN 1.4404) 材料设计值，为无缝管和焊接钢管 ( 焊缝系数 V=1) 计算的。表 9 卫生连接的内压压力等级MPa是蒸汽，下游是工艺管道或设备，阀门通常是关闭的。有时也会选用球阀与隔膜阀配对使用，防止隔膜阀 被持续汽蒸。对 于 选 用 洁 净 球 阀， 国 内 外 多 有 争 论， 尤 其 国内由于对国外相关规范不熟，有不敢用的倾向。 ASME BPE-2009 SD-4.11.2 节“洁净蒸汽阀门”(b) 条有明确说法：球阀作为切断阀在持续洁净蒸汽应用是一个可 接受行业的标准。应当使用三瓣式的球阀，取代单 体阀的设计，以便保证清洁性和可维护性。球阀的 孔口应当与管道的内径相匹配。隔膜阀的应用越来越广泛，但要考虑更换隔膜 的费用和更换计划。6.3疏水阀 纯蒸汽分配系统的疏水阀有以下两种用途：（1）主管和分支管道管道进入工艺连接之前的 疏水；（2）工艺管道、容器、反应罐等的 SIP 疏水。 疏水阀的选型可以参照设计手册或专业厂家的选型手册。通常有热静力和热动力两大类卫生型疏 水阀。6.3.1热静力疏水阀的特点和应用 卫生型压力平衡热静力疏水阀的结构见图 13。它的工作元件是一个液囊（带阀芯），里面充满了特 殊液体和水的混合物，它的沸点比水低，在起动阶 段温度较低市时，液囊处于松弛状态，阀芯离开阀座，备注：表中压力等级适用于卫生型卡箍和垫片。具体的压力等级，参见制造商的产品指南。6.2阀门纯蒸汽分配系统所用的切断阀、调压阀和控制 阀等，都应该选用卫生型阀门。阀门选型安装的要 遵循以下一般原则：（1）阀门应该有自排尽设计和尽量小的滞留流 体体积；（2）阀门的连接方式不论是卡接还是焊接，一 定注意与管道内径一致、匹配；（3） 阀 门 宜 选 择 垂 直 安 装 方 式， 便 于 自 排 净。 水平安装方式阀门，要与管道坡度一致。纯蒸汽分配系统的切断阀主要有隔膜阀和球阀 两种形式。从洁净角度看隔膜阀是最佳设计选择。 选用哪种形式的阀门要看具体情况 :（1）对于连续供汽的纯蒸汽分配系统，球阀不 仅坚固耐用，而且蒸汽的自我灭菌性应该会保证球 阀的无菌作业。洁净型球阀常用于以下部位：干支 管上的切断阀、疏水阀的上下游阀门等。（2）对于纯蒸汽分配系统的末端阀门，出于无 菌考虑，通常选用隔膜阀。末端阀门通常是指上游温度焊接连接3 英寸3 英寸（所有尺寸） 卡接卡接4 英寸6 英寸 卡接 卡接381.3791.3791.3791211.3791.1381.0341.3791.0340.8620.517公称直径 DN68101520253240506580100125150系列 A 25.4 20.3 23.4 16.0 13.2 10.5 8.7 7.4 5.7 5.8 4.7 3.9 3.1 2.6 系列 B 31.8 24.0 18.9 15.2 12.0 12.0 9.5 8.4 6.7 5.3 5.2 4.0 3.7 3.1 系列 C 28.4 18.8 26.4 17.6 13.2 8.8 6.6 5.2 4.4 4.2 36可安全排除空气，这是热静力疏水阀的特点。冷凝水经过疏水阀时，热量传递给液囊中的液体，在蒸 气 到 达 疏 水 阀 前， 液 囊 中 的 液 体 蒸 发， 液 囊 膨 胀， 阀芯压向阀座，阀门关闭。随着热量的散失，冷凝 水温度降低，液囊中的液体冷凝，液囊收缩，阀芯 离开阀座，阀门打开排水，直到蒸汽再次到达前关闭。 具体的特点和应用如下：（1）有排气功能。起机阶段全开，可快速排除 不凝气，故可用于纯蒸汽分配系统的排气；（2）有较大的排水能力；图 14 卫生型热动力力疏水阀（2）适合低温（饱和温度）低流量疏水；（3）最好是水平安装，不能自排尽；（4）只用于主管、末端等的疏水。不能用于 SIP疏水；（5）向闭式系统排水或可能产生负压倒虹吸时， 需要评估是否安装止回阀。6.4止回阀 对于纯蒸汽分配系统，乃至洁净工艺系统，是否安装止回阀是一个很矛盾的问题。从洁净管道防 止卫生物滋生和滞留物料角度出发，按自排尽理念 设计。如果在疏水阀下游安装了止回阀，则会在止 回阀上游会积聚凝结水。图 15 是一款卫生型止回阀 的结构，它的开启压力为 35 mbar(356.9 mm 水柱 )， 也就是系统内压力回到大气压下时，止回阀上游会 积聚凝结水 356.9 mm 高的水柱。图 13 卫生型压力平衡热静力疏水阀（3）只能垂直安装，且可以自排尽；（4）可以用于管道疏水，而且基于排气和自排 尽性能，使用于 SIP 疏水。（5）阀门在冷态和失效时，阀门处于开启状态。 向闭式系统排水或可能产生负压倒虹吸时，需要评 估是否安装止回阀。如果上游安装有用于 SIP 温度控制和监测的温 度传感器，考虑到热静力疏水阀的运行和反应特点， 为了防止凝结水积聚影响温度测量，建议尽可能加 长温度传感器和疏水阀之间的不保温管段，通常不 小于 300 mm（建议 300450 mm）。参见图 9。6.3.2热动力疏水阀的特点和应用 热动力疏水阀的结构见图 14。它的工作元件是一个位于上部控制室内的蝶片（盖在排水小孔上）， 靠闪蒸整齐经过疏水阀时产生的动力工作。在启动 阶段，在压力作用下，蝶片被顶起，凝结水和空气 从三个排水小孔排出。高温的凝结水进入到蝶片下 部后压力下降，产生闪蒸蒸汽并高速流动，把蝶片 拉 向 阀 座， 同 时， 闪 蒸 蒸 汽 进 入 蝶 片 上 部 的 腔 体， 产生的向下的压力克服冷凝水向上的推力把蝶片压 在阀座上，阀门关闭。随着热量的散失，蝶片上部 的腔体的闪蒸蒸汽冷凝，蝶片下方的冷凝水又把蝶 片顶起排水。具体的特点和应用如下：（1） 传 统 产 品 会 形 成 气 锁， 有 防 气 阻 设 计 的， 有排气功能；(a) 关闭状态(b) 关闭状态图 15 卫生型止回阀ASME BPE SD-3.11.12 条：“对卫生工艺管道系 统使用止回阀需要小心谨慎，并且不建议使用。”这 是因为如果使用了止回阀，不能实现自排尽，需要 借助压力压空。ASME BPE SD-4.14.3.7 条：“可以考 虑为了防止倒虹吸进入给料系统而安装止回阀。”如 果倒虹吸会给洁净系统带来高风险，基于风险分析 的方法，选择安装止回阀是风险较低的方案。如果 风险评估可以接受，压力平衡室疏水阀与空气隔断 地漏的组合是应该优先考虑的方案。通常有两种情况安装止回阀对考虑阀，但要考 虑积水的压空或干燥措施。一是湿热灭菌柜的内室 排水和设备在线灭菌（SIP）疏水，因为用到脉动真 空排除空气，为防止倒虹吸，通常安装止回阀。另 外一种情况是疏水阀后是密闭的管道和容器（如用 于凝结水收集），但由于这种做法不是工艺需求，需要进行评估其必要性和风险。不能因为设计了密闭系统，所以需要安装止回阀，这样的逻辑是错误的。7纯蒸汽系统的性能确认（PQ）在完成纯蒸汽系统 DQ、IO、OQ 等确认活动后， 就可以开展纯蒸汽系统的 PQ。PQ 要按照 QA 的 PQ 方案执行，核心是进行质 量测试。ISPE 建议的取样和测试要求如下：（1）应该在纯蒸汽发生器和湿热灭菌柜、SIP 等 关键工艺使用点进行纯蒸汽质量取样和测试。（2）纯蒸汽发生器的凝结水样应该和电导率在 线检测使用同一个冷凝器。（3）纯蒸汽质量测试（EN285 规定的干度、过 热度和不凝气等）应该尽量靠近使用点。没有正当 理由，只在纯蒸汽分配系统的中间位置进行这项批 准测试是不被接受的。（4）凝结水的化学质量等同于注射用水（WFI） 质量。内毒素指标也等同于注射用水（WFI）的限值。综上所述，纯蒸汽分配系统的设计，要根据纯 蒸汽质量要求和验证要求，参照国际规范和指南， 结合当前的制药工程动态实践来进行。设计科学、合理的纯蒸气分配系统对于保证和监控纯蒸气分配质量至关重要。参考文献：1中国国家标准化管理委员会 . GB/T20801压力管道规范工业管道. 2006.中国国家标准化管理委员会 . GB/T17116管道支吊架. 1997. United States Pharmacopeial Convention. USP 32-NF27. 2009.A m e r i c a n S o c i e t y o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g . A S M E B P E Bioprocesing Equipment. 2009.European Committee For Standard.EN 285 Sterilizers-SteamSter