ASME BPE在医药厂房洁净管道设计中的应用

徐 舟 彭彩君

（拜耳技术工程上海有限公司，上海 201507）

2011年3月1日起中国正式开始实施《药品生产管理规范（2010年修订）》（简称“新版GMP”）。新版GMP向美国欧盟标准看齐，对企业的质量控制硬件方面提出了更高的要求。GMP的相关章节对不锈钢卫生级管道（制药设备）的选材和设计方法提出了一些原则要求。具体就工程设计上，当前主要规范有国内的GB50073，GB50457，美国的ASME BPE标准和欧洲的EHEDG（European Hygienic Equipment design group）系列文章。其中ASME BPE对生物加工设备包括附属系统设计进行了详细的阐述，越来越多的工程遵照该规范进行设计施工，以确保通过政府机构（例如：FDA，SFDA）的监管。

1 管道材料

洁净区内输送一般物料的管道宜采用优质不锈钢材料，常用的有304（06Cr19Ni10），316（06Cr17Ni12Mo2），304L（022Cr19Ni10），316L（022Cr17Ni12Mo2）。对于输送无菌介质，注射用水应当无毒、耐腐蚀[1]，宜采用优质低碳不锈钢材料，ASME BPE推荐使用316L不锈钢，并且内外达到一定抛光度要求，使用自动焊接机焊接。对于常用的几种不锈钢主要区别为：

304的碳含量小于0.08%，铬含量为18%～20%，镍含量为8%～11%，壁厚小于6 mm的管道焊接不需焊后热处理；但对于壁厚大于6 mm的管道，需要较长的焊接时间，304L的碳含量小于0.03%，相比304而言，具有更好的焊接性能以及无碳化物熔析。

316，316L中由于钼的成分的增加，耐腐蚀性能相比304，304L得到了明显的提高。而316L比316含有更低的碳，其焊接性能优于后者。因此，无论从耐腐蚀性能还是焊接性能来看，316L奥氏体不锈钢薄壁管都是最佳选择，另外，各国GMP都推荐使用纯蒸汽在线灭菌，该系统下的高温、高压、湿热环境对不锈钢表面钝化膜会产生破坏，因此316L是ASME BPE推荐的管材。

对于使用自动焊接的管件，ASME BPE严格定义了不锈钢各成分需达到的指标（见表1），严格控制部件硫含量为0.005%～0.017%。

总的来说，BPE对钢管的要求是严格的，但通过适当的工艺和选用合适的材料还是比较容易达到的。

当使用卡箍连接时，与产品接触的所有的O型圈、密封件和垫片应耐CIP清洗介质和灭菌介质，并符合清洗及灭菌条件。ASME BPE推荐的是在线无菌饱和蒸汽灭菌，所以，要求O型圈要有一定的温度耐性，常用的有氟橡胶，硅橡胶垫片。但是，如果业主和制造商同意，可以在纯蒸汽系统使用平垫片。

表1 自动焊接管件化学成分要求[2]

2 管道规格

世界上卫生管道有众多标准：ISO/SMS（国际标准），ASME BPE/3A（美国标准卫生级规格），DIN 11866/11850（德国标准化学会标准），IDF（国际乳品联合会标准），JIS G 3447（日本不锈钢卫生级管标准），GB12075[3]。选用什么样的标准要符合业主的要求，比较常用的是ASME BPE和DIN 11850规格。

对于管道、管道连接件，ASME BPE推荐使用自动焊接进行管道连接，其次是卫生型卡箍。其管子规格如表2所示。需要注意的是对于自动焊接管件都有最小切向长度，最小切向长度是指从焊接端至少要留有的直管段，如图1。

表2 ASME BPE管子规格[2]

图1 自动焊接管件的最小切向长度

对于卡箍连接，ASME BPE有三种长度的平接头，见表3。

表3 ASME BPE平接头尺寸[2]

死端中流体无法处于湍流状态，随着时间推移会滋生细菌，有污染产品的风险。ASME BPE通过死端的L/D（L是指从流动主体管内壁到死端末端的距离，D是指管内径）来衡量管道设计（例如图2），其认为现今的制造水平已经能达到L/D=2:1。

图2 三通带盲法兰的L/D

根据BPE的标准，钢管的表面应该根据客户的不同要求实行不同的抛光处理。其表面处理状态分为机械抛光和电抛光。ASME-BPE要求其内表面的光洁度在25μin. （0.6μm）以内。BPE没有规定外表面的光洁度，但是32μin. （0.8μm）是被广泛使用的要求。如果钢管在使用时要求外表面有镀层或被其他物质覆盖，则钢管保持未抛光状态。一些客户要求，特别是针对注射用水的生产线，必须使用电抛光钢管，其共分为SF4、SF5、SF6三种状态，其中SF4是使用最为广泛的表面片理状态，此状态的内表面光洁度在15μin. （0.38μm）以内。

表4 ASME BPE表面抛光度[2]

ASME BPE要求管件达到或超过表5所示的压力等级，常温下的爆破压力至少要是表5中100等级所示工作内压的三倍。

表5 卫生型管件工作压力（内压）

ASME BPE对管道配件和工艺元件（含阀门）外部标记也明确了要求，规定以适当而不损伤产品接触面的方式，永久标记上以下信息：

（1）炉号/编号；

（2）材料类型；

（3）制造商名称、标识或商标；

（4）标准的参照（ASME BPE）；

（5）内表面光洁度。

如果管件的尺寸太小无法标记所有内容，至少应该对炉号、工号、材料类型做标示，至少做到每个与产品接触的部件的材料报告可追溯。

3 管道设计原则

3.1 基本原则：无死角、可排净和可清洁

为了达到无死角，死端的L/D尽量达到2或以下，但这不是强制规定。因为许多现今生产的特殊设备和分配系统无法达到该要求。GB50457要求不循环支管长度不应大于管径的6倍[4]，如图3所示。而且，如果能证明分支连主管处在清洗和消毒时流体处于湍流状态，那就不能算作死端。总而言之，系统的设计者和厂家应尽一切努力去除死端。

管道排净推荐使用重力自流。ASME BPE将管道坡度分为以下四个系统，见表6。

图3 主管下使用点的L/D

表6 管道坡度系统[2]

比较短的管道坡度推荐为GSD3系统，比较长的推荐为GSD2或GSD1系统，接触物料的管道推荐为GSD2系统。

清洁既可通过拆卸系统清洗，也可通过在位清洗。ASME BPE只对在位清洗做出了规定，这也是洁净生产的趋势。另外，在管道和设备下应有足够的空隙用于清洁和检修。

3.2 洁净蒸汽和水系统

清洁水系统（ASME-BPE把达到USP等级的WFI，PW和高纯水归为药典水系统）应设计成完全湍流的循环回路。管路离设备使用点尽量短。

管道排净坡度推荐为GSD2系统，在WFI使用点推荐使用集成排净和取样（如果需要的话）功能的阀门。阀门设计应将死端比例尽量（L/D）减少，比如可以使用如图4所示的阀门结构。

图4 推荐的U形弯阀门结构

典型的水系统使用点管路设计如图5。

纯蒸汽管道需要坡向使用点，每隔大约30 m要安装疏水装置,在分配系统末端和低点要安装疏水装置。管路设计要避免热胀产生的位移引起管子无法完全排净。推荐使用竖直安装的疏水阀，以利于排净。

典型的纯蒸汽系统管路设计如图6。

图5 水系统使用点典型管道设计

图6 纯蒸汽管路系统

3.3 其他注意事项

（1）在洁净区内主管应走技术夹层[5]，支管应竖直接向使用点，走向尽量短，管件尽量少，避免水平管。洁净管道的走向比一般管道和支架享有优先权。

（2）管道连接件应尽量使用焊接，设备接管道，尽量使用短平接头（表3 TypeC）。

（3）管道在洁净区内应尽量避免使用支吊架，如果需要，应使用卫生型支吊架。

（4）洁净区内应避免设立钢平台（B，C级禁止），应用外表面抛光的不锈钢（方钢或圆钢）代替一般型钢，并且平台上要镂空。

（5）在洁净区内明敷管道，如需保温、防烫，外壳需使用不锈钢材料。

（6）对于洁净管道不建议使用旁通管（比如疏水阀和控制阀的旁通），慎重使用止回阀。如果需要使用孔板，应安装在可排泄的位置。

（7）推荐使用卫生型隔膜阀[6]。当隔膜阀安装在水平管道上，为了利于阀门的完全排空，应有一定的安装角度，符合供应商的安装要求。

图7 卫生型隔膜阀安装角度

（8）在保证热膨胀的条件下，穿越洁净区域的管道的开孔间隙必须完全密封。

（9）软管，排净阀或其他管件通入地漏或水槽时需与其保持一定的距离H，以防止反吸。H=2 d，H=25 mm（d<1/2 in）。

图8 物理隔断H

（10）洁净管道系统在安装后，应进行清洁和钝化。

4 结语

总的来说，ASME BPE是一部系统科学的标准。针对无菌制药设计，定量地规定了如何测量不同种类，由不同原因引起的瑕疵；明确规定了管件的标识和包装的标准；明确规定了“最大压力等级”；精确规定了系统和管件的基本概念；对卫生级管道元件和设备有了比较详细的要求。严格按照该标准实施，可以节约安装周期，最终节约工程费用，为后续的验证，生产带来极大的保障。

[1] 药品生产管理规范（2010年修订）[S].

[2] ASME BPE-2009 [S].

[3] 彭守兴. 卫生容器用管道连接件[J]. 医药工程设计, 2009,30(2):1-5.

[4] GB50457-2008 医药工业洁净厂房设计规范 [S].

[5] GB50073-2001 医药厂房设计规范[S].

[6] 柏常洪, 姬胜利. 试论原料药多功能车间设计[J]. 医药工程设计,2010，31(3): 6-9.