主要材料

制藥和生物技術行業(yè)的衛(wèi)生要求相對較高，用于制造加工容器和管道系統(tǒng)的材料必須具備卓越的耐腐蝕性能和清潔性，以確保藥品的純度和品質。材料必須能夠經(jīng)受生產(chǎn)環(huán)境以及消毒和清潔工序中的溫度、壓力和腐蝕性介質。此外，材料必須具有良好的焊接性，滿足行業(yè)對表面光潔度的要求。

制藥和生物技術行業(yè)工藝設備的主要制造材料為316L（UNS S31603，EN 1.4404）奧氏體不銹鋼。316L不銹鋼所具有的耐腐蝕性、焊接性、電解拋光特性以及供貨方便的特點，使其成為絕大多數(shù)制藥應用的理想材料。盡管316L不銹鋼在許多工藝環(huán)境下表現(xiàn)良好，但用戶仍在通過審慎選擇316L不銹鋼特定的化學成份以及改進生產(chǎn)工藝如電渣重熔（ESR）來提高316L不銹鋼的性能表現(xiàn)。

如果對316L不銹鋼而言，工藝條件腐蝕性過強的話，用戶可以繼續(xù)使用316L不銹鋼，但維護成本會增加，也可以轉而選用合金成份更高的6%鉬超級奧氏體不銹鋼，如AL-6XN（UNS N08367）或254 SMO（UNS S31254，EN 1.4547）。近年來，生物技術行業(yè)已經(jīng)認識到了采用2205（UNS S32205，EN 1.4462）雙相不銹鋼制造設備的好處。

圖1 采用厚度標號為10的2205雙相不銹鋼板和4.8毫米厚的2205雙相不銹鋼板制造的制藥行業(yè)用研發(fā)容器。與產(chǎn)品接觸的表面經(jīng)電解拋光使光潔度達到ASME BPE - SF4。@Genentech

2205雙相不銹鋼

316L不銹鋼的金相組織中包括奧氏體相和非常少量的鐵素體相，通過向合金中添加足量的鎳來穩(wěn)定奧氏體相。鍛軋316L不銹鋼的鎳含量一般為10-11%。雙相不銹鋼的化學成份經(jīng)過調整，形成的顯微組織含有大致相同數(shù)量的鐵素體相和奧氏體相(圖2)，“雙相” 指具有奧氏體/鐵素體兩相的顯微組織。通過減少鎳含量至大約5%，并調整錳和氮的添加量至形成約40-50%的鐵素體而形成2205雙相不銹鋼。2205雙相不銹鋼的化學成份是平衡的，奧氏體相和鐵素體相具備大至相當?shù)哪透�蝕性。

圖2（A）鍛軋316L不銹鋼的顯微組織顯示出奧氏體晶粒以及偶爾可見的鐵素體長條 (B) 鍛軋2205雙相不銹鋼顯微組織顯示出奧氏體（淺色相）和鐵素體（深色相）的數(shù)量大致相等。

2205雙相不銹鋼氮含量的增加及其細晶粒的顯微組織使其具有比304L和316L等常見奧氏體不銹鋼更高的強度。在固熔退火條件下，2205雙相不銹鋼的屈服強度大約是316L不銹鋼的兩倍。由于強度較高，2205雙相不銹鋼的許用應力可以高得多，這取決于工藝設備制造所采用的設計規(guī)范。在許多應用中，壁厚可以減薄，從而減輕重量，節(jié)約成本。

表1 基于ASTM A 240要求的316L和2205不銹鋼化學成份對比

表2 固溶退火的雙牌號316/316L和2205雙相不銹鋼力學性能比較（根據(jù)ASTM A240*）

腐蝕特性

耐點蝕性能

在制藥和生物科技應用中，不銹鋼最常見的腐蝕形式是在含氯化物環(huán)境中的點蝕。2205雙相不銹鋼較高的鉻、鉬和氮含量，達到了顯著優(yōu)于316L不銹鋼的耐點蝕和縫隙腐蝕性能。通過在6%三氯化鐵標準試驗溶液中測量發(fā)生點蝕所需要的溫度（臨界點蝕溫度），可確定不銹鋼的相對耐點蝕性能。如圖3所示，2205雙相不銹鋼的臨界點蝕溫度（CPT）介于316L不銹鋼與6% 鉬超級奧氏體不銹鋼之間。應當注意，在三氯化鐵溶液中測得的CPT數(shù)據(jù)可用于比較材料耐氯離子點蝕性能，但不應用于預測材料在其它氯化物環(huán)境中的臨界點蝕溫度。

圖3 在6% FeCl3試驗溶液中測得的臨界點蝕溫度比較

應力腐蝕開裂

當溫度高于60°C，在拉伸應力和氯離子的共同作用下，316L不銹鋼容易出現(xiàn)裂紋，這種災難性的腐蝕形式被稱為氯化物應力腐蝕開裂（SCC）。在熱工藝流體條件下選用材料時，必須考慮這種腐蝕。應當避免將316不銹鋼用于存在氯離子及60°C或以上溫度的條件。如圖4所示，2205雙相不銹鋼在簡單鹽溶液中耐SCC 的溫度可達至少120°C。

圖4 316L不銹鋼和2205雙相不銹鋼發(fā)生氯離子應力腐蝕開裂的臨界值對比

紅銹

暴露在高純度水中的不銹鋼，表面可能出現(xiàn)薄薄的銹跡或沉積物，這被稱為紅銹（圖5）。這銹跡主要由氧化鐵或氫氧化鐵顆粒物構成，有多種顏色，包括紅色、金黃色、藍色、灰色和深褐色等色調。形成紅銹的原因尚未明了，但特定的不銹鋼牌號和表面處理可能影響紅銹的形成。

圖5 剖開的不銹鋼管內壁上呈現(xiàn)金黃色(A) 和灰黑色(B) 紅銹

在制藥和生物科技行業(yè)中，注射用水（WFI）系統(tǒng)所處的清潔蒸汽環(huán)境和高純度水環(huán)境，經(jīng)常會出現(xiàn)紅銹現(xiàn)象。蒸餾裝置、貯罐、工藝過程容器、泵、閥門和管道等部件均可能受到影響。

鑒于可能導致產(chǎn)品污染，要求對嚴重紅銹的材料表面進行清潔，而清潔作業(yè)的成本高、耗時長。因此，有必要要求制藥和生物科技所使用的候選材料至少具備與316L不銹鋼相同的耐紅銹能力。曾經(jīng)對包括316L不銹鋼和2205雙相不銹鋼在內的材料進行過紅銹現(xiàn)象的系統(tǒng)調查研究。根據(jù)這項研究，2205不銹鋼耐紅銹的能力至少與316L不銹鋼相當。

加工特性

2205雙相不銹鋼的加工制作在許多方面與316L是類似的，但是仍存在一些重要差異。冷成形加工操作必須考慮到雙相不銹鋼較高的強度和較高的加工硬化特性。成形設備可能要求具備更高的負荷能力，而且在成形操作中，2205不銹鋼將會表現(xiàn)出比標準奧氏體不銹鋼牌號更高的回彈。2205雙相不銹鋼較高的強度使其比316L更難進行切削加工。有關雙相不銹鋼加工的詳細指南，參見國際鉬協(xié)會 (IMOA) 出版的《雙相不銹鋼加工制作實用指南》。

2205雙相不銹鋼的焊接可以采用316L不銹鋼的焊接方法。但是，必須對熱輸入量和層間溫度進行嚴格控制，以保持所希望的奧氏體－鐵素體相比例，并避免有害金屬間相的析出。焊接用氣內含有少量的氮氣有助于避免這些問題。在進行雙相不銹鋼焊接工藝評定時，常用的方法是采用鐵素體測定儀或通過金相檢驗來評估奧氏體－鐵素體比率。通常采用ASTM A 923試驗方法驗證是否存在有害金屬間相。

圖6 不銹鋼管道的自動軌道焊接@Arc Machines

推薦的焊縫填充金屬為ER2209 (UNS S39209，EN 1600)，只有在焊接之后能夠進行焊縫固溶退火處理以恢復耐腐蝕性的情況下，才采用不使用填充金屬的自熔焊。進行固溶退火處理時，將部件加熱到至少1040°C的溫度，然后快速冷卻。

雙相不銹鋼如2205的熔透性和流動性比316L不銹鋼差，所以焊接速度較慢。因為2205雙相不銹鋼熔透性差，所以需要修改接頭的形狀。2205雙相不銹鋼需要比316L不銹鋼更寬的坡口角度、更大的根部間隙和更小的鈍邊，以便獲得完全熔透的焊縫。

如果焊接設備允許使用填充焊絲，則采用2209填充焊絲可進行2205不銹鋼管的軌道焊接。也可以不用填充焊絲，而使用成分適當?shù)剡^合金化的自耗嵌塊。表3匯總了焊接2205雙相不銹鋼管道所使用的嵌塊材料。

表3 焊接2205雙相不銹鋼管道所用的自耗嵌塊

雙相不銹鋼的電解拋光

許多制藥和生物科技應用都要求與產(chǎn)品接觸的表面經(jīng)過電解拋光處理。因此，能夠提供高質量電解拋光表面的能力就成為了一項重要的材料特性。2205雙相不銹鋼可以電解拋光至0.38微米或更高的光潔度，這樣的光潔度滿足或超過了ASME BPE標準對電解拋光表面的表面光潔度要求。盡管2205雙相不銹鋼能夠輕易滿足制藥和生物科技行業(yè)對表面光潔度的要求，但經(jīng)電解拋光的2205不銹鋼表面并不像電解拋光后316L不銹鋼表面那樣光亮。這種差異是因為在電解拋光過程中，鐵素體相比奧氏體相的金屬溶解率略高。

圖7 電解拋光的2205雙相不銹鋼板（樣品來源: DCI）

標準規(guī)范和質量控制標準

很多行業(yè)和國家標準都包含了2205雙相不銹鋼。ASTM A 240標準目前列出了2205雙相不銹鋼的兩種牌號S31803和S32205。S32205的鉻、鉬和氮最低含量要求稍微高一些，但仍然在S31803的化學成份范圍內。開發(fā)這個牌號的目的，是為了解決某些S31803焊縫熱影響區(qū)（HAZ）潛在的耐腐蝕性和韌性損失的問題。因此，推薦用戶指定S32205牌號。如果要求使用S31803，有些時候是因為此牌號包含在ASME標準當中，用戶應當要求所有S31803牌號的化學成份也滿足S32205牌號的成分要求，以便性能保持一致。

表4給出了2205雙相不銹鋼重要的ASTM產(chǎn)品和質量控制標準，表5列出了雙相不銹鋼的一些相關國際標準。最新的ASME BPE-2009標準包括了2205雙相不銹鋼。雙相不銹鋼還包括在API 650標準中，此標準規(guī)定了立式、圓柱型及地上貯罐的設計、材料、加工制造、安裝和測試要求。

表4 2205雙相不銹鋼ASTM產(chǎn)品和質量標準匯總

表5 適用的歐洲材料標準