潔凈流體輸送對水、純蒸汽、工藝用氣系統設計的要求——ASME BPE系統設計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的密閉性、完整性，防止外界對潔凈流體的污染，是設計者首先應考慮的問題。

現依據ASME BPE標準中SD-4章節對這幾種系統的描述進行解讀，以供讀者參考使用。

1 水系統概述

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

1.1 水系統的制備

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生級設計的管件。所有管件密封都要遵循這一原則，以避免死角和裂縫產生。系統應該可以完全排凈，不允許存在易產生清洗、除污或鈍化的溶液積液的區域，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

1.2.1 制藥用水系統的使用點設計

使用點（POU，Point of Use）被定義為在一個制藥用水環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）與制藥用水環路在使用點相連接的管道。（2）POU閥、設備以及其他組件，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 使用點組件的關鍵設計準則

使用點組件的關鍵設計準則有：

（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路連接，設計時做到L/D≤2，如圖1中（a）和（c）所示。

（4）在系統設計中，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路上。

（6）若用于生產過程的制藥用水需要驗證是否滿足藥典標準時，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閥門到工藝設備間的管道要求最短，如圖1中（a）、（b）所示。

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

（10）當采用換熱器作為使用點降溫裝置時，如圖1中（c）所示，設計需要遵循系統設計SD-3.6章節中熱交換設備的描述。

（11）在軟管、排水閥以及其他排放設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備內徑的2倍，當排放軟管、閥門或其他部件的內徑≤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組件必須按系統設計的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的全排凈。

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

（17）當制藥水系統采用聚合物材料時，表面拋光需要Ra≤0.6 μm。

2 潔凈/純蒸汽系統

本描述在潔凈和純蒸汽系統中均適用。

2.1 潔凈/純蒸汽系統的制備

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

2.2 潔凈/純蒸汽分配系統設計準則

典型潔凈蒸汽系統軸測圖如圖2所示，蒸汽使用點設計如圖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/純蒸汽分配系統的設計準則有：

（1）在啟動和正常操作的過程中，分配系統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）分配系統不能直接與非潔凈蒸汽系統（例如工廠蒸汽系統）相連。

圖2 典型潔凈蒸汽系統軸測圖

（5）蒸汽分配系統上的冷凝水收集單元應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）冷凝水可以自由進入蒸汽疏水閥，并通過疏水閥排出。高點設計、直接耦合、冷凝水回收系統應該避免進入冷凝水，如圖3所示。

（8）分配管路系統的所有組件應盡可能做到自排凈。

（9）通過管路分布設計及使用疏水閥去除冷凝水，可以避免死角的產生。

（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生，如圖3所示。

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

圖3 蒸汽使用點設計

2.3 潔凈/純蒸汽閥

本部分概括了閥門對純蒸汽系統部分的隔斷、調節和控制作用，其適用于連續的蒸汽滅菌。

（1）蒸汽閥門必須要有排水能力，并且達到最小的積液量要求。

（2）球閥在連續蒸汽滅菌過程中的截斷作用是工業標準所接受的。在清潔程度和可維護方面，應采用三片式球閥替代一片式球閥，球閥內徑必須要與管道內徑相一致。

（3）在用戶指定的壓力和溫度下，所有元件設備可以適應連續蒸汽滅菌需求。

（4）帶有警報連接的次級密封桿件對蒸汽系統是非必要的。

（5）蒸汽閥門要便于維護。

3 工藝氣體系統

3.1 工藝氣體分配系統

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

3.2 工藝氣體分配系統設計準則

工藝氣體分配系統的設計準則有：

（1）工藝氣體輸送和分配系統的安裝要合理選擇管道材料。所有供應的元件在安裝和使用之前必須不含油霧、碳氫化合物和微粒。

（2）用戶必須詳述制造所采用的材料。采用銅做材料時，應選用硬銅，并且按NFPA99第5章的標準進行安裝。潔凈房間或區域采用銅為材料時，用戶必須確認所有潔凈、無菌的試劑均要和銅及用到的所有材料相匹配。當采用不銹鋼管道時，應選擇316L或304L，連接處要求采用軌道焊接方法。在潔凈區內部，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準。

（3）在工藝氣體分配系統的源頭或是邊界處，壓力接頭可能會用在截斷閥、調節閥、流量控制閥以及其他設備系統中。

（4）氣體產生系統既不需要設計為潔凈的，也不需要鈍化或者安裝后進行化學處理。其有關坡度、高點排放以及低點排放在這些系統是不需要的。

（5）氣體分配系統不應該含有非揮發性的雜質。系統設計需要保證氣體在輸送過程中始終保持潔凈。

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

（7）氣體系統檢測和取樣必須遵守21CFR211和ICH Q7準則。

4 結語

遵循質量源于設計的原則，在潔凈流體輸送系統設計中通過采用“使用點”的概念做到無死角，關鍵區域做到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成為密閉性高、完整性好的一個系統，從而有效地防止外界對系統的污染，確保系統內潔凈流體的質量。

［1］ ASME BPE［S］