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技术资料

医用洁净管道焊接质量控制

医用洁净管道焊接质量控制


1 引言
洁净管道是构成医药生产工艺的重要组成部分,是医药生产过程中各种介质进行传输的重要媒介。不锈钢以其优良的性能被广泛应用于药品生产的各种洁净工艺管道中。GMP认证及药品生产工艺上都对这部分有着极为严格的要求,如注射水管道、物料管道、纯蒸汽管道等,都要求为其提供无污染、耐腐蚀、内壁光洁等良好的介质输送环境。这就要施工方必须为其提供符合制药行业特殊要求的合格产品。在管道安装过程中,为了控制好工程质量,以便提供符合要求的合格产品,其首要的关键任务是要提供优质、安全、可靠的管道焊接接头,对其焊接质量实施合理有效的全过程管理控制。要实现控制的目的, 就必须弄清影响介质输送环境的焊接缺陷及在实际生产过程中如何对这些焊接缺陷做好控制工作。本文将就焊接缺陷进行分析,并从焊接准备、施焊以及焊后确认三方面分别进行阐述,介绍如何在实施过程中通过控制哪些因素来预防焊接缺陷的产生,为合格焊接产品提供可靠保障。
 
2 焊接缺陷分析
奥氏体不锈钢,因加入了钝化性能良好的镍,使它在氧化介质和还原介质中都具有良好的耐蚀性,而被医用介质输送工艺管道普遍选用,如3l6、3l6L、304、304L、321、302等。因此,医用洁净管道实际上一般都是指奥氏体不锈钢管道。就焊接性能而言,这种钢焊接时不会发生相变、无冷裂纹和淬硬性倾向,但却存在晶间腐蚀、热裂纹和变形大等因素。为提供合格的产品,满足医用洁净管道焊接要求,首要的是应当明确造成晶间腐蚀、热裂纹、气孔、形状缺陷以及焊接变形收缩等问题的影响因素。
 
2.1 晶间腐蚀
在焊接时,焊接接头总会在450~850℃ 温度范围内停留一定时间,这时对奥氏体不锈钢来说,就容易在晶界析出Gr2 C ,从而使晶粒边界形成贫Gr层造成晶间腐蚀。受到晶间腐蚀的不锈钢,从表面上看没有痕迹,但在受到应力作用时, 即会沿晶界断裂,强度几乎会完全丧失,这也是奥氏体不锈钢最危险的一种破坏形式。

 2.2 热裂纹
奥氏体不锈钢由于本身导热系数小,线膨胀系数大,焊接条件下会形成较大拉应力,同时晶界处可能形成熔点共晶,导致焊接时容易出现热裂纹。

 2.3 形状缺陷
焊缝表面形状与原设计几何形状有偏差的现象我们称之为焊缝形状缺陷。其主要表现形式有咬边、焊瘤、烧穿、凹坑、未焊满、下塌、下垂、错边、焊缝成形不良、焊缝宽度不齐、表面不规则等。造成形状缺陷主要原因,一是因作业人员技术水平低或操作不当造成形状缺陷。如进行手工氩弧焊进行焊接时,所形成的烧穿、焊瘤、咬边、焊缝成形不良、焊缝宽度不齐、表面不规则等。二是因焊接工艺不当造成形状缺陷。如焊接接头间隙过宽、焊接电流过大、焊接速度太慢等造成烧穿、凹陷、下塌、下垂等。三是因管道初装不当造成形状缺陷。如焊接接头的错位等。形状缺陷的形式有多种,其形成的原因也是多种多样的,这就要求对焊接实施的全过程进行有效控制并做好每一步的工作才可能避免。
 
2.4 气孔
气孔是熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的孔穴。焊缝中形成气孔的气体有两类。来自外部的溶解度有限的气体(如H、N等)和熔池中的冶金反应产物(如Co,H2O等)。防止气孔产生其根本是要控制好气体的来源及焊接熔池冶金反应排气的条件。

2.5 未焊透、未熔合
未焊透是指焊接时接头根部未完全熔透或焊缝深度不够的现象。这主要影响因素有焊接电流过小、速度过快、采用填丝焊接时焊丝未对准焊缝中心或采用无熔化极氩弧焊时钨极未对准焊缝中心。未熔合是焊道与母材金属之间或焊道与焊道之间没有完全熔化结合的部分。其形成原因有焊接速度过快等。

 2.6 固体夹杂
固体夹杂主要是因在对焊接接头进行表面预处理不到位或在进行手工氩弧焊时操作不当所造成的夹渣、夹杂物、夹钨等。如未对切割管口进行打磨抛光处理或处理不到位等。焊接接头中固体夹杂的存在将可能会带来应力集中、应力腐蚀和焊缝表面粗糙等一系列问题,从而不能满足医药工程中内壁光洁等要求。

2.7 焊接变形、收缩
奥氏体不锈钢因其导热率低,只有碳钢的1/3;热量传递慢,热变形大;其线膨胀系数又比碳钢大40%,更引起加热时热膨胀量和冷却时收缩量的增加,焊后的变形量就显得更加突出。为控制因焊接变形收缩的问题,在焊接时应将管道的每条环形焊缝放长2~3 mm。

2.8 其它缺陷
其它缺陷是指不能包括在前面几类缺陷中的所有缺陷的总称。在医药洁净管道焊接工程中常见的有表面撕裂、磨痕等。

2.8.1 表面撕裂
表面撕裂主要出现在管道初装后, 因操作不当或对初装管道未实施有效保护将点焊的焊接接头撕裂,造成母材金属表面的损伤。

2.8.2 磨痕
不按操作规程对洁净管道进行打磨引起的表面局部损伤。医用洁净管道所在行业的特殊性决定了其对焊接质量要求的高标准。焊接过程中,可能产生管道焊缝焊接质量的因素很多, 因而应做好从焊接准备到焊接接头最后确认的每一步工作。

3 焊前准备控制
为了得到合格的焊接产品, 我们在对洁净管道实施焊接前需要做大量的准备工作,以满足焊接生产需要。在准备阶段除须按照《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》GB50236—98的相关规定选用具备相应资格证书的焊接操作人员外,还需要根据医药工程洁净管道施工的特点分别从焊接工艺、焊接设备、焊接材料及环境等多方面进行准备,并对其准备情况进行有效控制。

3.1 焊接工艺选择
洁净管道因其材料和所在行业的特殊性,在焊接作业前必须编制焊接工艺卡, 以便为焊接实施过程中的作业提供指导和对焊接质量提供有效的保证。管壁粗糙或管路存在盲管,微生物完全有可能依赖由此造成的客观条件,构筑自己的温床一生物膜, 对传输介质的运行及日常管理带来风险及麻烦。为保证获得良好的焊接质量,在医用洁净管道焊接工艺上应选择钨极惰性气体保护焊。
 
洁净管道安装过程中,常用的有手工氩弧焊和全位置焊两种。这两种焊接在使用上应根据洁净管道使用的重要性、焊接成形、工程经济性等方面考虑来选择。一般对注射水、纯蒸汽以及与药品及其生产组成成分等物料直接接触或与药品包装材料直接接触的重要洁净管道都必须采用自动氩弧焊(即全位置焊)进行焊接,因其具有焊接稳定性好以及更好的焊缝成形美观光洁等特点。对药用原水、排水管道等可采用手工氩弧焊。

 3.2 材料及环境控制
焊接准备除应具备合格的焊接人员、合理的焊接工艺、合格的焊接装备外,还必须对焊接工件和焊接加工环境进行控制。这部分也是造成焊接缺陷,影响焊接质量非常重要的环节,不可小觑。

 3.2.1 材料选择
在许可情况下,为避免奥氏体不锈钢晶问腐蚀的产生,可选择含碳量低(如3O4L)以及加入了钛、铌等与碳亲和力强的合金元素的不锈钢(如321),这样就使其不易在焊接过程中产生晶间腐蚀。同时,为避免气孔的产生应采用纯度达到99.8% 的氩气。
 
3.2.2 洁净管道预处理
洁净管道在焊接施工前,必须按照安装程序要求加强对管道预处理的控制, 同时也可以有效避免产生热裂纹、气孔等缺陷。洁净管道按照管道走向放线、下料完毕后,必须对焊接接头进行打磨整平以减少焊接夹杂等。待表面机械打磨平整完后必须对管道进行脱脂处理去除表面油污等, 同时在脱脂完毕后采用管道封头将管道焊接接头封好,一般要求封头盖住焊接接头长度不短于20 mm,以便保护脱脂处理后管道的清洁度。这样就控制住了焊接工件的清洁度,从而避免对洁净管道产生二次污染。

 3.2.3 焊接环境控制
焊接环境的控制主要是防止在有风的地方进行作业,避免因吹风而影响氩气对焊缝熔池的保护作用,这样主要是避免产生气孔等缺陷。同时要求施工现场要有足够的照度,避免因光线昏暗影响现场作业。
 
4 焊接实施控制
焊接实施的控制重点在于焊接装配和焊接参数的控制。从很大程度上讲,焊接实施控制是保证焊接质量的最后一个非常重要的环节。

4.1 焊接装配控制
无论是在对洁净管道焊接接头实施手工或全位置焊接前,都要进行管道装配。它包括焊接接头的对接和定位焊接。首先,在对洁净管道进行焊接接头对接时,必须保证正确的接头间隙和接头的对正性。如果在实施对接时, 出现间隙不当和接头错边,这将导致焊缝会产生烧穿、焊缝成形不良以及未焊透等焊接缺陷。为保证焊接接头不出现错位现象,可用靠模来检验接头对接情况。其次,在对接正确后就应当进行定位焊接, 以防止在焊接过程中由于焊件翘曲变形等使焊接接头待焊处出现错位等现象。对医药洁净管道实施定位焊时,应采用交叉点焊法实施4~12点对称点焊定位。其点焊大小可根据以下经验公式确定:
 d=Φ+1
或d=2Φ
其中:d一焊点熔核直径; ǿ~管道壁厚。
因不锈钢具有线膨胀系数、焊接变形大的特点,所以定位焊接点焊点距应小,选择点距主要根
据管道壁厚进行选择。具体选择参数可参照下表:
具体参数选择表

管道壁厚(ǿ/mm) 定位点焊点距(d/mm)
1.2 10-30
3≤ǿ≤4 40-80

4.2 焊接参数控制

4.2.1 焊接电流
焊接电流是决定TIG焊(钨极惰性气体保护焊)焊缝熔深的主要参数。从焊接对象材料来看,对于洁净不锈钢管的焊接采用直流电源的正极性焊接是最为理想的,其次是采用交流电源进行焊接。其电流大小主要依据管道壁厚、焊接位置和采取的接头形式来确定。从前面焊接缺陷分析中知道:电流越大,熔深、熔宽和焊缝表面凹陷就越大,但过大时会产生烧穿、咬边等缺陷,太小又易造成未焊透。具体参数可根据现场实际情况进行试焊,通过X光拍片合格后来确定同种管道的电流。

4.2.2 焊接电压
通常TIG焊焊接电压一般在10~20V范围内。
焊接电压越大,也会使熔宽增加,但熔深和焊缝表面凹陷反而会减小; 当焊接电压过大时,还易造成
未焊透和保护不良。因此,在保证电弧不短路的情况下,尽量减小弧长进行焊接。

4.2.3 焊接速度
焊接速度的选择主要依据洁净管道壁厚,并配合焊接电流进行选择。在洁净管道施焊过程中,为保证氩气对焊接的有效保护,其焊接速度不宜过大。当速度过大时会造成氩气气流严重偏后,从而可能使钨极、弧柱乃至熔池全都暴露在空气中。但为了保证焊接时避免或减少晶间腐蚀可在允许范围内采取小电流快速焊, 这样也有利于避免热裂纹的产生。为避免因小电流快速焊带来的不良影响,应当采取诸如增加氩气流量、减小焊枪前倾角度等措施以获得良好的保护效果。

4.2.4 氩气流量
氩气流量与喷嘴之间有一个最佳范围,此时,气体保护效果最佳,焊件上有效保护区域最大。虽可按照理论参数来控制流量,但在现场所常用的是采用焊点试验法来检查、确定氩气的保护效果范围。具体方法是: 一般在不锈钢板材表面进行TIG焊焊点试验,在所确定的焊接工艺参数下引弧并保持约5~6 S,然后切断电源,这样就在钢板表面形成一个焊点区,在该区内受到氩气有效保护的区域呈现光亮的银白色,而受到空气侵蚀保护不完全的则呈暗黑色。

4.2.5 钨极和极形状
钨极应选用铈钨极(W-Ce)。因铈钨极在工艺性能、许用电流等都高于钍钨极,同时还具有放射性小的特点。焊接时钨极末端的形状有多种,一般在小电流焊接时,选小直径的钨极并将其末端磨成约20。尖角,这样电弧容易引燃和稳定。反之可磨成大于90。钝角或平顶锥形,可避免尖端过热熔化,从而减少端部损耗, 同时还可以使阴极辉点稳定,使焊缝外形均匀。另外,选择尖角钨极端部还应考虑对熔深和熔宽的影响。尖角增大其熔深增大,熔宽变小,反之则相反。

4.3 焊接接头表面处理
洁净管道焊接作业完成后都应进行表面抛光处理,对高洁净室内管道更是这样。同时在焊后检查确定焊缝表面存在外观形状缺陷,也必须进行处理,将缺陷全部消除。根据实际情况可以采用机械修磨与电化学抛光、化学抛光相结合的方法进行处理,有必要时还应采取合理的补焊工艺加以修补,使表面达到洁净管道所要求的标准。这里要注意的是,机械修磨的部位必须修磨成圆滑过渡后再采用化学或电化学抛光。

5 焊后确认
焊后确认是指管道接头焊接完成后,对照图纸、焊接工艺要求,检查焊接是否符合设计及规范要求。它包括对焊接接头合格情况的检查、焊接缺陷处理后的再检查。其包括采用仪器检查和采取灌水试压两种检查方式。

5.1 焊接接头仪器检查
管道焊接接头焊接作业完成后,应对其进行焊接质量检查,并作好焊接接头的数量记录。焊缝检查的方法很多,如:射线探伤、超声波探伤、声发射等。在医药洁净管道工程中,一般采用x光拍片进行检查。但实际工程中,往往管道需要穿至吊顶、夹层中进行焊接安装,这就不便进行x光拍片,为此可采取先拍片的形式,即根据TIG自动先确定焊接控制参数,如电流、频率、保护气流等,然后再按照所设定的焊接参数焊接几个接头,在对吊顶、夹层洁净管道进行焊接前先拍片,如符合要求后再按照所设定的参数对同种管道实施焊接,这样就可以保证焊缝的焊接质量,保证其平整光滑等焊接质量的要求。

5.2 水压试验检验
虽然洁净管道在安装焊接时已经作过拍片检查,但在安装完成后对管道进行的试压也是对焊接情况的有效检验手段。试压介质根据管道输送介质不同而不同,如注射水、纯化水等液体输送洁净管道一般都是在焊接安装结束后用去离子水进行试压;纯蒸汽、洁净压缩空气等一般采用洁净空气进行试压,其试压压力一般都为该管道设计工作压力的1.5倍,检查结果无渗漏为合格。

6 小结
从“成都生物制品研究所细菌性疫苗安装工程”、“郑州生物药厂GMP改造工程”等多个工程应用实例来看,采取过程控制能够预防和消除可能产生的焊接缺陷,使注射水、百级及以上的室内物料和高要求级别的生物试验室洁净不锈钢管道焊缝等,其焊缝都能达到我公司《洁净系统工程成套施工技术》中的1级A等洁净管道焊缝标准;对于纯化水、百级以下室内不锈钢洁净管道、口服用药等级别要求较低的洁净不锈钢管道焊缝都能达到我公司《洁净系统工程成套施工技术》中的2级A等洁净管道焊缝标准,从而使所建工程一次性合格。因此,在上述多个工程中实施本文所述控制后,所做工程都顺利通过了GMP认证,这也证明了本文所述过程控制对洁净不锈钢管道焊接质量控制的有效性。总之,对洁净管道焊接质量的控制, 因牵涉范围广,焊接缺陷影响因素多,因此它是一个系统性的工程,在整个实施过程中需要通过过程控制的方法来控制焊接产品质量,为医药生产提供可靠保障。同时需要广大工程技术人员在实际工程中不断总结和提高。
 

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