潔凈流體輸送對水、純蒸汽、工藝用氣系統(tǒng)設(shè)計的要求——ASME BPE系統(tǒng)設(shè)計SD-4的介紹與解讀

金永保 曹燕秋 周立法

（森松集團（中國），上海201323）

0 引言

在潔凈流體輸送過程中除工藝物料外，涉及最多的是水（純水、注射用水、WFI）、純蒸汽和工藝用氣（壓縮空氣、N2、真空等）的輸送。如何保障這些公用系統(tǒng)的密閉性、完整性，防止外界對潔凈流體的污染，是設(shè)計者首先應(yīng)考慮的問題。

現(xiàn)依據(jù)ASME BPE標(biāo)準(zhǔn)中SD-4章節(jié)對這幾種系統(tǒng)的描述進(jìn)行解讀，以供讀者參考使用。

1 水系統(tǒng)概述

USP等級的注射用水（WFI）、USP等級的純化水（PW）和高純水（HPW）都應(yīng)設(shè)計成環(huán)路的循環(huán)系統(tǒng)形式，而不是非循環(huán)、有死端、帶分支的系統(tǒng)形式。設(shè)計成環(huán)路形式可以滿足在循環(huán)系統(tǒng)中的流體始終處于完全的湍流狀態(tài)，防止流體在任何分支管路中停滯。

1.1 水系統(tǒng)的制備

凡與工藝物料、供水及過程冷凝水接觸的表面均需采用316或316L不銹鋼材質(zhì)制造。凡與工藝物料、供水及過程冷凝水連接的端口均需采用衛(wèi)生級設(shè)計的管件。所有管件密封都要遵循這一原則，以避免死角和裂縫產(chǎn)生。系統(tǒng)應(yīng)該可以完全排凈，不允許存在易產(chǎn)生清洗、除污或鈍化的溶液積液的區(qū)域，也不允許存在潤洗過程中不易沖洗的地方。

1.2 制藥用水的分配系統(tǒng)

1.2.1 制藥用水系統(tǒng)的使用點設(shè)計

使用點（POU，Point of Use）被定義為在一個制藥用水環(huán)路中適合于過程用水或取樣的位置。

典型的使用點由以下要素組成：（1）與制藥用水環(huán)路在使用點相連接的管道。（2）POU閥、設(shè)備以及其他組件，如圖1所示（注：為了便于查詢，圖1在ASME BPE原文中的編號為SD-4.1.2.1-1）。

1.2.2 使用點組件的關(guān)鍵設(shè)計準(zhǔn)則

使用點組件的關(guān)鍵設(shè)計準(zhǔn)則有：

（1）所有使用點組件需要通過POU閥門且具有完全的排凈能力。

（2）組件設(shè)計要有利于CIP、SIP以及潔凈氣體吹掃功能。

（3）使用點上的閥門盡可能采用焊接形式與水分配環(huán)路連接，設(shè)計時做到L/D≤2，如圖1中（a）和（c）所示。

（4）在系統(tǒng)設(shè)計中，為了消除死角，取樣閥是首選，且也是必須安裝的。

（5）如有需要，取樣閥可安裝在主環(huán)路上。

（6）若用于生產(chǎn)過程的制藥用水需要驗證是否滿足藥典標(biāo)準(zhǔn)時，需要安裝取樣閥。

（7）POU組件中提供潔凈公用工程（蒸汽或潔凈氣體）的任何閥門，必須遵循L/D≤2的原則，如圖1中（a）、（c）所示。

（8）從POU閥門到工藝設(shè)備間的管道要求最短，如圖1中（a）、（b）所示。

（9）如果系統(tǒng)不能完全排空，POU主閥要有合適的端口以利于系統(tǒng)的清洗，保持潔凈狀態(tài)。

（10）當(dāng)采用換熱器作為使用點降溫裝置時，如圖1中（c）所示，設(shè)計需要遵循系統(tǒng)設(shè)計SD-3.6章節(jié)中熱交換設(shè)備的描述。

（11）在軟管、排水閥以及其他排放設(shè)備中需要采用物理隔斷，以避免流體倒吸至POU組件中，如圖1中（d）、（e）所示。

（12）為了避免流體倒吸至POU組件中，物理隔斷距離H至少為軟管、排水閥以及其他排放設(shè)備內(nèi)徑的2倍，當(dāng)排放軟管、閥門或其他部件的內(nèi)徑≤12.7 mm時，隔斷距離至少為25.4 mm。

（13）為了便于操作后水的自排凈，管道及其他管道組件最小直徑要求為19.05 mm。

（14）POU組件必須按系統(tǒng)設(shè)計的SD-2.4.3要求做到可排凈。

（15）如果需要限制水的流量，POU組件可能會安裝文丘里管或孔板。在使用位置上，要增加一個額外的排放組件以確保系統(tǒng)的全排凈。

（16）當(dāng)制藥水系統(tǒng)采用316L或其他合金鋼材料時，表面拋光需要Ra≤0.6 μm，內(nèi)表面可能需要電拋。所有內(nèi)表面需要酸洗鈍化。

（17）當(dāng)制藥水系統(tǒng)采用聚合物材料時，表面拋光需要Ra≤0.6 μm。

2 潔凈/純蒸汽系統(tǒng)

本描述在潔凈和純蒸汽系統(tǒng)中均適用。

2.1 潔凈/純蒸汽系統(tǒng)的制備

凡與潔凈/純蒸汽系統(tǒng)及過程冷凝水接觸的表面均需采用316或316L不銹鋼材質(zhì)，焊接區(qū)應(yīng)采用316L不銹鋼或用戶指定的材料。凡與潔凈/純蒸汽系統(tǒng)及過程冷凝水連接的端口需要采用衛(wèi)生級管件設(shè)計。所有管件密封都要遵循這一原則，以避免死角和裂縫產(chǎn)生。系統(tǒng)應(yīng)該是可以完全排凈的，不允許存在易產(chǎn)生清洗、除污或是鈍化的溶液積液的區(qū)域，也不允許存在潤洗過程中不易沖洗的地方。

2.2 潔凈/純蒸汽分配系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則

典型潔凈蒸汽系統(tǒng)軸測圖如圖2所示，蒸汽使用點設(shè)計如圖3所示（注：為了便于查詢，圖2、圖3在ASME BPE原文中的編號分別為SD-4.2.2.1、SD-4.2.2-2）。潔凈/純蒸汽分配系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則有：

（1）在啟動和正常操作的過程中，分配系統(tǒng)要有能去除空氣的裝置。在空氣容易聚集的地方需要增加排氣孔，例如在蒸汽室的末端安裝此類裝置。

（2）水平分配管路在沿蒸汽流動方向要有一定的坡度。如有必要，可通過垂直提升以增加管路的高度，如圖2所示。

（3）對管路的線性膨脹要有充足的應(yīng)對，并且要防止分配管路下沉，從而避免管路的排水能力降低。

（4）分配系統(tǒng)不能直接與非潔凈蒸汽系統(tǒng)（例如工廠蒸汽系統(tǒng)）相連。

圖2 典型潔凈蒸汽系統(tǒng)軸測圖

（5）蒸汽分配系統(tǒng)上的冷凝水收集單元應(yīng)和分配線路有相同的尺寸，最大為101.6 mm，如果是152.4 mm或更大的分配線路，冷凝水收集單元可以是小一級或兩級管道尺寸。這些收集單元需要安裝在管線底部。在分支處和疏水點之間，可以對管道進(jìn)行縮徑處理。

（6）至少每隔30.8 m安裝一個收集單元，在上游蒸汽隔斷控制閥、垂直提升管道的底部以及其他的低點位置均要安裝收集單元裝置。

（7）冷凝水可以自由進(jìn)入蒸汽疏水閥，并通過疏水閥排出。高點設(shè)計、直接耦合、冷凝水回收系統(tǒng)應(yīng)該避免進(jìn)入冷凝水，如圖3所示。

（8）分配管路系統(tǒng)的所有組件應(yīng)盡可能做到自排凈。

（9）通過管路分布設(shè)計及使用疏水閥去除冷凝水，可以避免死角的產(chǎn)生。

（10）管路分支和使用點需要從蒸汽主管道上方引出，這樣可避免過多的冷凝水的產(chǎn)生，如圖3所示。

（11）潔凈/純蒸汽的取樣點需要設(shè)置在系統(tǒng)中收集有代表性樣品的位置上，例如發(fā)生器出口、分配總管末端、典型的使用點、高壓蒸汽滅菌器或SIP站。

圖3 蒸汽使用點設(shè)計

2.3 潔凈/純蒸汽閥

本部分概括了閥門對純蒸汽系統(tǒng)部分的隔斷、調(diào)節(jié)和控制作用，其適用于連續(xù)的蒸汽滅菌。

（1）蒸汽閥門必須要有排水能力，并且達(dá)到最小的積液量要求。

（2）球閥在連續(xù)蒸汽滅菌過程中的截斷作用是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所接受的。在清潔程度和可維護方面，應(yīng)采用三片式球閥替代一片式球閥，球閥內(nèi)徑必須要與管道內(nèi)徑相一致。

（3）在用戶指定的壓力和溫度下，所有元件設(shè)備可以適應(yīng)連續(xù)蒸汽滅菌需求。

（4）帶有警報連接的次級密封桿件對蒸汽系統(tǒng)是非必要的。

（5）蒸汽閥門要便于維護。

3 工藝氣體系統(tǒng)

3.1 工藝氣體分配系統(tǒng)

工藝氣體分配系統(tǒng)指的是從氣源主體（包括壓縮機）到用戶確定的使用點（POU）之間的延伸部分。質(zhì)量保證人員必須證明系統(tǒng)滿足21CFR211 D部分。

3.2 工藝氣體分配系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則

工藝氣體分配系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則有：

（1）工藝氣體輸送和分配系統(tǒng)的安裝要合理選擇管道材料。所有供應(yīng)的元件在安裝和使用之前必須不含油霧、碳?xì)浠衔锖臀⒘！?/p>

（2）用戶必須詳述制造所采用的材料。采用銅做材料時，應(yīng)選用硬銅，并且按NFPA99第5章的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝。潔凈房間或區(qū)域采用銅為材料時，用戶必須確認(rèn)所有潔凈、無菌的試劑均要和銅及用到的所有材料相匹配。當(dāng)采用不銹鋼管道時，應(yīng)選擇316L或304L，連接處要求采用軌道焊接方法。在潔凈區(qū)內(nèi)部，管道材料選擇316L或304L不銹鋼的管子和管件。用戶和制造廠需要統(tǒng)一所有連接方式、檢測水平以及安裝前所有連接的可接受標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在工藝氣體分配系統(tǒng)的源頭或是邊界處，壓力接頭可能會用在截斷閥、調(diào)節(jié)閥、流量控制閥以及其他設(shè)備系統(tǒng)中。

（4）氣體產(chǎn)生系統(tǒng)既不需要設(shè)計為潔凈的，也不需要鈍化或者安裝后進(jìn)行化學(xué)處理。其有關(guān)坡度、高點排放以及低點排放在這些系統(tǒng)是不需要的。

（5）氣體分配系統(tǒng)不應(yīng)該含有非揮發(fā)性的雜質(zhì)。系統(tǒng)設(shè)計需要保證氣體在輸送過程中始終保持潔凈。

（6）選擇預(yù)過濾和終端系統(tǒng)過濾是非常重要的，最終使用點的氣體純度要與工藝要求相一致。

（7）氣體系統(tǒng)檢測和取樣必須遵守21CFR211和ICH Q7準(zhǔn)則。

4 結(jié)語

遵循質(zhì)量源于設(shè)計的原則，在潔凈流體輸送系統(tǒng)設(shè)計中通過采用“使用點”的概念做到無死角，關(guān)鍵區(qū)域做到L/D≤2，保證清洗過程干凈，合理配置排盡點，排氣點做到全排盡，這樣才能使流體的閉合系統(tǒng)成為密閉性高、完整性好的一個系統(tǒng)，從而有效地防止外界對系統(tǒng)的污染，確保系統(tǒng)內(nèi)潔凈流體的質(zhì)量。

［1］ ASME BPE［S］