張功臣

（上海奧星制藥技術(shù)裝備有限公司，上海201600）

0 引言

在制藥工程中，使用不銹鋼的主要原因之一是因為它具有優(yōu)越的抗腐蝕性。人們往往認(rèn)為，不銹鋼是不會生銹的，一旦生銹就肯定是鋼質(zhì)出現(xiàn)了問題。其實，這是對不銹鋼的一種片面的錯誤看法，不銹鋼在特定的條件下也是會生銹的，工程上稱為紅銹現(xiàn)象（圖1）。

圖1 紅銹現(xiàn)象

紅銹常發(fā)生在制藥用水等流體工藝系統(tǒng)的輸送泵腔體內(nèi)壁、隔膜閥閥體和膜片、罐體內(nèi)壁、噴淋球內(nèi)壁以及不銹鋼焊縫及熱影響區(qū)部分。用白布在不銹鋼內(nèi)壁進(jìn)行擦拭，或在用水點出口處進(jìn)行過濾取樣，常會看到黃色或紅色的固體顆粒物，這就是主要成分為氧化鐵的紅銹。

引起紅銹產(chǎn)生的因素較多，例如，高溫或高壓環(huán)境、氯化物等高腐蝕性環(huán)境、非不銹鋼成分以及不恰當(dāng)?shù)谋砻嬷苽洌ㄈ绾附淤|(zhì)量問題、材料表面缺陷、不恰當(dāng)?shù)那逑椿蜮g化等）均會誘發(fā)紅銹的產(chǎn)生。紅銹產(chǎn)生后的危害很大，它屬于顆粒物污染，會影響制藥用水質(zhì)量與藥品澄清度，增加過濾器的有效工作負(fù)荷，影響不銹鋼系統(tǒng)耐壓能力和耐腐蝕能力，與最終產(chǎn)品可能發(fā)生理化反應(yīng)。

1 紅銹的形成機理與分類

1.1 紅銹的形成機理

氧化作用是電化學(xué)反應(yīng)的常見形式，其主要機理：一個元素釋放電子的同時，另一個元素吸收電子，整個過程組成了氧化還原反應(yīng)，在這個過程中，氧氣和金屬或合金中的某個元素相結(jié)合生成金屬氧化物。不銹鋼耐腐蝕的基本特性是由于合金中的Cr元素和氧氣接觸后，能夠在其表面形成一層穩(wěn)定的富鉻氧化膜，它是不銹鋼在有氧化氣體存在的情況下瞬間形成的，鈍化層形成后，能夠改善金屬的抗腐蝕特性，金屬則表現(xiàn)出特有的“惰性”，其氧化速率將降低到微不足道的范圍。

腐蝕是金屬和環(huán)境之間化學(xué)或電化學(xué)的相互反應(yīng)，它可以導(dǎo)致金屬特性的非預(yù)期改變，會導(dǎo)致金屬耐腐蝕功能的降低，一旦有某種原因?qū)е虏讳P鋼的鈍化層遭到了破壞，水中的氧氣就會與金屬中釋放出來的Fe元素緩慢地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成疏松的氧化鐵，金屬表面就會表現(xiàn)出銹跡的腐蝕，俗稱紅銹。圖2是一種模擬的紅銹形成機理，它較為形象地說明了紅銹形成的化學(xué)過程。

圖2 模擬的紅銹形成機理

水是一種極弱的電解質(zhì)，25℃時，水的離子積常數(shù)kw為1×10-14；100℃時，水的離子積常數(shù)kw為55×10-14。高溫注射用水中H+濃度和OH-濃度大于常溫純化水系統(tǒng)，導(dǎo)致游離的鐵離子與水中氫氧根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率增加，最終生成氧化鐵并導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生紅銹。因此，系統(tǒng)在高溫條件下運行時更容易產(chǎn)生紅銹。圖3是80℃注射用水儲存與分配系統(tǒng)的設(shè)備運行時間與不銹鋼表面狀態(tài)關(guān)系圖。

1.2 紅銹的分類

按發(fā)生的程度不同，可將紅銹分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型共3類（圖4）。

其中，Ⅰ型紅銹也稱遷移型紅銹，包含多種源金屬所衍生的氧化物和氫氧化物，主要成分為Fe2O3，并含有少量的FeO、Fe（OH）2，Ⅰ型紅銹呈顆粒態(tài)，在不銹鋼表面附著疏松，并呈現(xiàn)橙色或橙紅色，具有從紅銹生成點向下游遷移的趨勢，Ⅰ型紅銹具有易于生成、易于去除、易于復(fù)發(fā)等特點；Ⅱ型紅銹屬于金屬表面局部形成的活性腐蝕，主要成分為Fe2O3，呈現(xiàn)從紅色、橙色、藍(lán)色、紫色、灰色到黑色的一系列色譜，Ⅱ型紅銹在不銹鋼表面附著緊密，一旦形成，較難去除，常以蝕坑、腐蝕縫隙等多種形式出現(xiàn)，它與氯化物或其他鹵化物的腐蝕有關(guān)；Ⅲ型紅銹為加熱氧化后產(chǎn)生的黑色氧化物，常發(fā)生在高溫環(huán)境中（例如純蒸汽系統(tǒng)）的表面氧化，主要成分為Fe3O4，它會隨著紅銹層的增厚，系統(tǒng)顏色也會從金色變?yōu)樗{(lán)色，然后變成深淺不一的黑色，這種表面氧化以一種穩(wěn)定的膜的形式開始，并且?guī)缀醪怀暑w粒態(tài)，它的晶體結(jié)構(gòu)類似于極其穩(wěn)定的磁鐵礦石。

圖3 設(shè)備運行時間與不銹鋼表面狀態(tài)關(guān)系圖

圖4 紅銹的分類

2 紅銹處理技術(shù)

2.1 除紅銹試劑

CIP100與CIP200試劑是STERIS公司專門針對“紅銹”的去除與不銹鋼材料的鈍化而開發(fā)的清洗劑。

CIP100為堿性清洗劑，主要用來清除不銹鋼表面的油漬、蛋白污物和生物膜，為CIP200的除銹清洗作用提供前提保證；CIP200為酸性清洗劑，主要成分包括磷酸、檸檬酸、表面活性劑和分散劑等，可有效去除不銹鋼表面的紅銹，尤其是Ⅰ型紅銹與Ⅱ型紅銹。圖5是不同濃度CIP200對Fe2O3溶解度對照，15%CIP200對Fe2O3的溶解度可達(dá)到260 g/100 gal。

圖5 不同濃度的CIP200對Fe2O3的溶解度

CIP200清洗試劑的主要成分為檸檬酸，能有效地避免按照慣例采用硝酸等強酸清洗時對不銹鋼的強酸腐蝕反應(yīng)。同時，CIP200清洗試劑含有穩(wěn)定的表面活性劑和分散劑，既增加表面潤濕效果，又減少了污物的重新沉積。CIP200清洗試劑可以與多種材料兼容，在任何溫度下都處于低泡沫狀態(tài)，有效預(yù)防了離心泵的氣蝕發(fā)生。另外，它還可以充分漂洗，殘留量極低。

尤為重要的是15%CIP200清洗試劑具有與17%HNO3同樣的鈍化效果（圖6），可實現(xiàn)不銹鋼系統(tǒng)的紅銹去除與酸洗鈍化一步完成，極大地簡化了清洗流程、節(jié)省了清洗時間。因此，CIP200清洗試劑已被廣泛應(yīng)用于純化水與注射用水系統(tǒng)、純蒸汽系統(tǒng)、配液系統(tǒng)、CIP/SIP系統(tǒng)的除銹和鈍化。

2.2 紅銹處理案例

圖7是筆者實踐的某高溫注射用水儲存與分配系統(tǒng)除紅銹案例，該案例采用15%CIP200在80℃高溫作用下，實現(xiàn)了除紅銹與鈍化處理一次完成，通過定期抽樣檢測，除銹與鈍化效果良好。

3 結(jié)語

為降低制藥流體工藝系統(tǒng)產(chǎn)生紅銹的風(fēng)險，企業(yè)需采用“質(zhì)量源于設(shè)計”的管理理念，從設(shè)計源頭開始進(jìn)行有效控制。在工程中，以下措施對于預(yù)防并控制紅銹的發(fā)生有一定的借鑒作用：

（1）適當(dāng)降低注射用水系統(tǒng)循環(huán)溫度，如系統(tǒng)溫度保持在70～85℃循環(huán)；

（2）嚴(yán)格按照焊接標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程進(jìn)行焊接，嚴(yán)格控制系統(tǒng)按照3D死角的原則進(jìn)行安裝，防止殘留物引起晶體腐蝕；

圖6 15%CIP200清洗試劑的鈍化效果

圖7 紅銹處理案例

（3）選擇質(zhì)量可靠的噴淋裝置，防止脫落鐵屑導(dǎo)致的外源性鐵離子引入，避免噴淋球干轉(zhuǎn)摩擦；

（4）保證良好的酸洗鈍化效果并有效生成鈍化膜。對系統(tǒng)進(jìn)行周期性維護(hù)鈍化，重新生成鈍化膜，推薦鈍化周期為1～3年/次；

（5）選擇有質(zhì)量保證的原材料進(jìn)行系統(tǒng)安裝，對不銹鋼管道管件的材質(zhì)報告進(jìn)行系統(tǒng)追溯，保證316L材質(zhì)的品質(zhì)和拋光度；

（6）引入紅銹的流體分析技術(shù)或表面分析技術(shù)，安裝紅銹在線監(jiān)測儀，建立完善的風(fēng)險評估機制，及早發(fā)現(xiàn)、及早清洗。