hoofd materiaal
De hygiëne-eisen van de farmaceutische en biotechnologische industrie zijn relatief hoog, en de materialen die worden gebruikt om verwerkingscontainers en leidingsystemen te vervaardigen, moeten een uitstekende corrosieweerstand en reinigbaarheid hebben om de zuiverheid en kwaliteit van farmaceutische producten te waarborgen. Materialen moeten bestand zijn tegen de temperatuur, druk en agressieve media in productieomgevingen en bij desinfectie- en reinigingsprocedures. Bovendien moet het materiaal goed lasbaar zijn en voldoen aan de industrie-eisen voor oppervlakteafwerking.
Het belangrijkste fabricagemateriaal voor procesapparatuur in de farmaceutische en biotechnologische industrie is 316L (UNS S31603, EN1.4404) austenitisch roestvrij staal. De corrosieweerstand, lasbaarheid, elektrolytisch polijsteigenschappen en gemakkelijke beschikbaarheid van 316L roestvrij staal maken het tot een ideaal materiaal voor de meeste farmaceutische toepassingen.
Hoewel 316L roestvrij staal goed presteert in veel procesomgevingen, verbeteren gebruikers nog steeds de prestaties van 316L roestvrij staal door de specifieke chemische samenstelling van 316L roestvrij staal zorgvuldig te selecteren en productieprocessen zoals elektroslakomsmelting (ESR) te verbeteren.
Als de procesomstandigheden te corrosief zijn voor 316L roestvrij staal, kunnen gebruikers blijven gebruiken 316L roestvrij staal, maar de onderhoudskosten zullen stijgen, of ze kunnen overstappen op 6% molybdeen superaustenitisch roestvrij staal met een hogere legeringssamenstelling, zoals AL-6XN® (UNS N08367) of 254SMO® (UNS S31254, EN1.4547). In de afgelopen jaren heeft de biotechnologie-industrie de voordelen erkend van het gebruik van 2205 (UNS S32205, EN1.4462) duplex roestvast staal voor productieapparatuur.
Figuur 1 R&D containers voor de farmaceutische industrie gemaakt van 2205 duplex roestvaststalen plaat met een dikte van 10 en 2205 duplex roestvast stalen plaat met een dikte van 4.8 mm. Oppervlakken die in contact komen met het product zijn elektrolytisch gepolijst tot een ASMEBPE – SF4 afwerking. @Genentech
2205 duplex roestvrij staal
De metallografische structuur van 316L roestvrij staal omvat een austenietfase en een zeer kleine hoeveelheid ferrietfase, en de austenietfase wordt gestabiliseerd door voldoende nikkel aan de legering toe te voegen.
Het nikkelgehalte van gesmeed 316L roestvrij staal is over het algemeen 10-11%. De chemische samenstelling van duplex roestvast staal is zo aangepast dat de gevormde microstructuur ongeveer dezelfde hoeveelheid ferriet- en austenietfasen bevat (Figuur 2). microweefsel. 2205 duplex roestvrij staal wordt gevormd door het nikkelgehalte te verlagen tot ongeveer 5% en de toevoeging van mangaan en stikstof aan te passen om ongeveer 40-50% ferriet te vormen.
De chemische samenstelling van 2205 duplexroestvrij staal is uitgebalanceerd en de austenietfase en de ferrietfase hebben een grote of gelijke corrosieweerstand.
Figuur 2 (A) Microstructuur van gesmeed 316L roestvrij staal met austenietkorrels en af en toe zichtbare ferrietstrips (B) Microstructuur van gesmeed 2205 duplex roestvrij staal met austeniet (lichte fase) Ongeveer evenveel als ferriet (donkere tint).
Het verhoogde stikstofgehalte van 2205 duplex roestvast staal en zijn fijnkorrelige microstructuur geven het een hogere sterkte dan gewone austenitische roestvaste staalsoorten zoals 304L en 316L. Onder oplossingsgloeiomstandigheden is de vloeigrens van 2205 duplex roestvrij staal ongeveer het dubbele van die van 316L roestvrij staal.
Vanwege de hoge sterkte kan de toelaatbare spanning van 2205 duplex roestvrij staal veel hoger zijn, afhankelijk van de ontwerpcode die wordt gebruikt voor de fabricage van procesapparatuur. Bij veel toepassingen kan de wanddikte worden verminderd, wat resulteert in gewichtsbesparing en kostenbesparing.
Tabel 1 Vergelijking van de chemische samenstelling van 316L en 2205 roestvrij staal op basis van ASTM A 240 vereisten
| Rang | UNS No. | 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 |
- Maximaal tenzij anders vermeld
Tabel 2 Vergelijking van mechanische eigenschappen van oplossinggegloeid dual-grade 316/316L en 2205 duplex roestvast staal (volgens ASTM A240*)
| Rang | UNS No. | Treksterkte | Opbrengststerkte | verlenging | Hardheid, Max | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| KSI | MPa | KSI | MPa | Brinell | Rockwell | |||
| 316L | S31603 | 75 | 515 | 30 | 205 | 40% | 217 | 95 HRg |
| 2205 | S32205 | 95 | 655 | 65 | 450 | 25% | 293 | HRC 31 |
- Tenzij anders vermeld, zijn ze allemaal minimaal 3
- De minimumwaarde van de sterke huid van het roestvrij staal van dubbele kwaliteit 316/316L; de minimale steelvereiste van het single-grade 316L roestvrij staal is lager
Ccorrosieve eigenschappen
Pitting-weerstand
De meest voorkomende vorm van corrosie op roestvrij staal in farmaceutische en biotech-toepassingen is putcorrosie in chloridehoudende omgevingen. Het hogere chroom-, molybdeen- en stikstofgehalte van 2205 duplex roestvast staal is aanzienlijk beter bestand tegen putcorrosie en spleetcorrosie dan 316L roestvast staal. De relatieve weerstand tegen putjes van roestvrij staal kan worden bepaald door de temperatuur te meten die nodig is om putjes te laten ontstaan (kritische putjestemperatuur) in een standaardtestoplossing van 6% ferrichloride.
Zoals weergegeven in afbeelding 3, ligt de kritische puttemperatuur (CPT) van 2205 duplex roestvast staal tussen 316L roestvast staal en 6% molybdeen super austenitisch roestvast staal. Opgemerkt moet worden dat de CPT-gegevens gemeten in ijzerchloride-oplossing kunnen worden gebruikt om de weerstand tegen putcorrosie door chloride-ionen van materialen te vergelijken, maar ze mogen niet worden gebruikt om de kritische putjestemperatuur van materialen in andere chloride-omgevingen te voorspellen..
Fig.3 Vergelijking van kritische putjestemperatuur gemeten in 6% FeCl3-testoplossing
Spanningscorrosie
Wanneer de temperatuur hoger is dan 60°C, onder de gezamenlijke actie van trekspanning en chloride-ionen, is 316L roestvrij staal vatbaar voor scheuren. Deze catastrofale vorm van corrosie wordt chloride-spanningscorrosie (SCC) genoemd. Met deze corrosie moet rekening worden gehouden bij het selecteren van materialen voor hete procesvloeistofcondities. Het gebruik van 316 roestvrij staal in aanwezigheid van chloride-ionen en temperaturen van 60°C of hoger moet worden vermeden. Zoals weergegeven in figuur 4, is 2205 duplex roestvast staal bestand tegen SCC in eenvoudige zoutoplossingen tot een temperatuur van minimaal 120°C.
Fig.4 Vergelijking van de kritische waarde van chloride-ion spanningscorrosiescheuren tussen 316L roestvast staal en 2205 duplex roestvast staal
Rode roest
Roestvrij staal dat wordt blootgesteld aan zeer zuiver water kan dunne vlekken of roestafzettingen op het oppervlak ontwikkelen, ook wel rode roest genoemd (afbeelding 5). Deze roest bestaat voornamelijk uit ijzeroxide- of hydroxidedeeltjes en kan in verschillende kleuren voorkomen, waaronder tinten rood, goudgeel, blauw, grijs en donkerbruin. De oorzaak van rode roestvorming is niet bekend, maar specifieke soorten roestvast staal en oppervlaktebehandelingen kunnen de vorming van rode roest beïnvloeden.
Figuur 5. Goudgele (A) en grijszwarte (B) rode roest op de binnenwand van de doorgesneden RVS buis
In de farmaceutische en biotechnologische industrie worden water-voor-injectiesystemen (WFI) blootgesteld aan schone stoom en zeer zuiver water in omgevingen waar rode roest veel voorkomt. Componenten zoals destillatie-eenheden, opslagtanks, procesvaten, pompen, kleppen en leidingen kunnen worden aangetast.
Vanwege de mogelijkheid van productverontreiniging, vereisen sterk roodgeroeste materiaaloppervlakken kostbare en tijdrovende reinigingswerkzaamheden. Daarom is het noodzakelijk te eisen dat kandidaatmaterialen die in de farmaceutica en biotechnologie worden gebruikt, minstens dezelfde weerstand tegen roodroest hebben als 316L roestvrij staal.
Een systematisch onderzoek naar het fenomeen van rode roest is uitgevoerd op materialen zoals 316L roestvrij staal en 2205 duplex roestvrij staal. Volgens dit onderzoek is RVS 2205 minstens zo goed bestand tegen rode roest als RVS 316L.