Главный Материал
Гигиенические требования фармацевтической и биотехнологической промышленности относительно высоки, и материалы, используемые для изготовления технологических контейнеров и систем трубопроводов, должны обладать отличной коррозионной стойкостью и очищаемостью для обеспечения чистоты и качества фармацевтических препаратов. Материалы должны выдерживать температуру, давление и агрессивные среды в производственных условиях, а также при дезинфекции и очистке. Кроме того, материал должен обладать хорошей свариваемостью и соответствовать отраслевым требованиям к чистоте поверхности.
Основным производственным материалом для технологического оборудования в фармацевтической и биотехнологической промышленности является аустенитная нержавеющая сталь 316L (UNS S31603, EN1.4404). Коррозионная стойкость, свариваемость, способность к электрополировке и доступность нержавеющей стали 316L делают ее идеальным материалом для большинства фармацевтических применений.
Хотя нержавеющая сталь 316L хорошо работает во многих технологических средах, пользователи по-прежнему улучшают характеристики нержавеющей стали 316L, тщательно выбирая конкретный химический состав нержавеющей стали 316L и улучшая производственные процессы, такие как электрошлаковый переплав (ЭШП).
Если условия процесса слишком агрессивны для нержавеющей стали 316L, пользователи могут продолжать использовать нержавеющая сталь 316L, но затраты на техническое обслуживание возрастут, или они могут перейти на супераустенитную нержавеющую сталь с содержанием молибдена 6% и более высоким составом сплава, такую как AL-6XN® (UNS N08367) или 254SMO® (UNS S31254, EN1.4547). В последние годы биотехнологическая промышленность признала преимущества использования дуплексной нержавеющей стали 2205 (UNS S32205, EN1.4462) для производственного оборудования.
Рис. 1 Контейнеры для НИОКР для фармацевтической промышленности, изготовленные из Пластина из нержавеющей стали 2205 толщиной 10 и 2205 из дуплексной нержавеющей стали толщиной 4.8 мм. Поверхности, контактирующие с продуктом, подвергаются электрополировке до покрытия ASMEBPE – SF4. @Genentech
2205 Дуплекс из нержавеющей стали
Металлографическая структура нержавеющей стали 316L включает аустенитную фазу и очень небольшое количество ферритной фазы, а аустенитная фаза стабилизируется добавлением в сплав достаточного количества никеля.
Содержание никеля в кованой нержавеющей стали 316L обычно составляет 10-11%. Химический состав дуплексной нержавеющей стали подобран таким образом, чтобы образовавшаяся микроструктура содержала примерно одинаковое количество ферритной и аустенитной фаз (рис. 2). микроткань. Дуплексная нержавеющая сталь 2205 формируется путем снижения содержания никеля примерно до 5% и корректировки добавления марганца и азота для образования примерно 40-50% феррита.
Химический состав дуплексной нержавеющей стали 2205 сбалансирован, аустенитная фаза и ферритная фаза обладают большой или равной коррозионной стойкостью.
Рисунок 2 (A) Микроструктура деформируемой нержавеющей стали 316L с зернами аустенита и иногда видимыми полосками феррита (B) Микроструктура деформируемой дуплексной нержавеющей стали 2205 с аустенитом (светлая фаза) Количество примерно равно ферриту (темный оттенок).
Повышенное содержание азота в дуплексной нержавеющей стали 2205 и ее мелкозернистая микроструктура придают ей более высокую прочность, чем у обычных аустенитных нержавеющих сталей, таких как 304L и 316L. В условиях отжига на твердый раствор предел текучести дуплексной нержавеющей стали 2205 примерно в два раза выше, чем у нержавеющей стали 316L.
Из-за высокой прочности допустимое напряжение дуплексной нержавеющей стали 2205 может быть намного выше, в зависимости от норм конструкции, используемых для изготовления технологического оборудования. Во многих случаях толщина стенки может быть уменьшена, что приводит к снижению веса и стоимости.
Таблица 1 Сравнение химического состава нержавеющей стали 316L и 2205 на основе требований ASTM A 240
| Класс | № ООН | C | Mn | P | S | Si | Cr | Ni | Mo | N |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 316L | S31603 | 0.03 | 2.00 | 0.045 | 0.030 | 0.75 | 16.0-18.0 | 10.0-14.0 | 2.0-3.0 | 0.10 |
| 2205 | S32205 | 0.03 | 2.00 | 0.030 | 0.020 | 1.00 | 22.0-23.0 | 4.5-6.5 | 3.0-3.5 | 0.14-0.20 |
- Макс, если не указано иное
Таблица 2 Сравнение механических свойств отожженной на твердый раствор двухсортной нержавеющей стали 316/316L и дуплексной нержавеющей стали 2205 (согласно ASTM A240*)
| Класс | № ООН | Предел прочности на разрыв | Предел текучести | относительное удлинение | Твердость, макс. | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Кси | МПа | Кси | МПа | Бринеллю | Rockwell | |||
| 316L | S31603 | 75 | 515 | 30 | 205 | 40% | 217 | 95 HRg |
| 2205 | S32205 | 95 | 655 | 65 | 450 | 25% | 293 | 31HRc |
- Если не указано иное, все минимум 3
- Минимальное значение прочности кожи из нержавеющей стали двойного класса 316/316L; минимальные требования к краже для односортной нержавеющей стали 316L ниже
Cкоррозионные свойства
Сопротивление точечной коррозии
Наиболее распространенной формой коррозии нержавеющей стали в фармацевтике и биотехнологии является точечная коррозия в хлоридсодержащих средах. Более высокое содержание хрома, молибдена и азота в дуплексной нержавеющей стали 2205 обеспечивает значительно лучшую устойчивость к точечной и щелевой коррозии, чем нержавеющая сталь 316L. Относительную стойкость нержавеющей стали к точечной коррозии можно определить путем измерения температуры, необходимой для возникновения точечной коррозии (критическая температура точечной коррозии) в стандартном испытательном растворе 6% хлорида железа.
Как показано на рисунке 3, критическая температура точечной коррозии (CPT) дуплексной нержавеющей стали 2205 находится между нержавеющей сталью 316L и супераустенитной нержавеющей сталью с 6% молибдена. Следует отметить, что данные СРТ, измеренные в растворе хлорида железа, можно использовать для сравнения стойкости материалов к питтинговой коррозии под действием ионов хлорида, но их не следует использовать для прогнозирования критической температуры питтинговой коррозии материалов в других хлоридных средах..
Рис.3 Сравнение критической температуры питтинговой коррозии, измеренной в испытательном растворе 6% FeCl3
Коррозионное растрескивание под напряжением
При температуре выше 60°C под совместным действием растягивающего напряжения и ионов хлора нержавеющая сталь 316L склонна к растрескиванию. Эта катастрофическая форма коррозии называется коррозионным растрескиванием под напряжением хлоридов (SCC). Эту коррозию необходимо учитывать при выборе материалов для горячих технологических сред. Следует избегать использования нержавеющей стали 316 в присутствии ионов хлора и температуре 60°C или выше. Как показано на рис. 4, дуплексная нержавеющая сталь 2205 устойчива к SCC в растворах простых солей при температуре не ниже 120°C.
Рис.4 Сравнение критического значения коррозионного растрескивания под действием ионов хлорида между нержавеющей сталью 316L и дуплексной нержавеющей сталью 2205
Красная ржавчина
На нержавеющей стали, подвергшейся воздействию воды высокой степени чистоты, могут появиться тонкие пятна или отложения ржавчины на поверхности, известной как красная ржавчина (рис. 5). Эта ржавчина в основном состоит из частиц оксида или гидроксида железа и может иметь различные цвета, включая оттенки красного, золотисто-желтого, синего, серого и темно-коричневого. Причина образования красной ржавчины неизвестна, но определенные марки нержавеющей стали и обработка поверхности могут влиять на образование красной ржавчины.
Рисунок 5. Золотисто-желтая (А) и серо-черная (В) красная ржавчина на внутренней стенке разрезанной трубы из нержавеющей стали.
В фармацевтической и биотехнологической промышленности системы воды для инъекций (WFI) подвергаются воздействию чистого пара и воды высокой степени чистоты, где красная ржавчина является обычным явлением. Могут быть затронуты такие компоненты, как дистилляционные установки, резервуары для хранения, технологические сосуды, насосы, клапаны и трубопроводы.
Из-за возможности загрязнения продукта, поверхности материалов с сильной красной ржавчиной требуют дорогостоящих и трудоемких операций по очистке. Следовательно, необходимо, чтобы материалы-кандидаты, используемые в фармацевтике и биотехнологии, обладали по крайней мере такой же устойчивостью к красной ржавчине, как нержавеющая сталь 316L.
Систематическое исследование явления красной ржавчины было проведено на материалах, включая нержавеющую сталь 316L и дуплексную нержавеющую сталь 2205. Согласно этому исследованию, нержавеющая сталь 2205 по крайней мере так же устойчива к красной ржавчине, как и нержавеющая сталь 316L.