乳品廠管道設(shè)計與施工要點

李瑞國，李洪亮，劉培勇，田延軍，陳文廣，黃婧

(齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），山東省食品發(fā)酵工業(yè)研究設(shè)計院，濟南250013)

0 引 言

乳品廠輸送物料、工藝水以及清洗液的管道有嚴(yán)格的衛(wèi)生要求。通過正確的管材選擇、合理的管路設(shè)計以及高質(zhì)量的管道施工，并配合有效的清洗滅菌管理，能夠有效避免或降低管道內(nèi)壁形成生物膜的風(fēng)險。生物膜就是微生物相互粘結(jié)并附著在管道內(nèi)壁的黏性物質(zhì)。超過90%的微生物的生成發(fā)生在生物膜上，生物膜能提供微生物生長的營養(yǎng)源，利于微生物的聚集與生長[1]。生物膜表面的多糖層能保護微生物免受殺菌劑的破壞，普通的清洗、消毒難以將生物膜去除。因此，管路設(shè)計的策略就是降低形成生物膜的風(fēng)險，從而進一步控制微生物、內(nèi)毒素、可溶雜質(zhì)、可見異物等污染因素，降低污染風(fēng)險。本文將重點探討在管道的設(shè)計和施工中應(yīng)遵循的具體標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)原則。

1 管道設(shè)計要點

1.1 材料選擇

乳品管道選用的材料應(yīng)表面光潔、平整、易清洗或消毒、耐腐蝕、不與物料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，首選是優(yōu)質(zhì)衛(wèi)生級不銹鋼管，常用的牌號有304、316、304L、316L等。由于各個國家和地區(qū)執(zhí)行不同標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼管，其外徑、壁厚以及配套的閥門管件有較大的尺寸差異，因此，在設(shè)計和施工中要根據(jù)具體項目類型統(tǒng)一選材標(biāo)準(zhǔn)，避免造成后續(xù)采購和施工困難。

304不銹鋼的碳含量小于0.08%，鉻含量18%～20%，無磁性，焊接性能良好，材料表面形成的耐腐蝕鈍化膜，即使在高溫、高壓、濕熱環(huán)境下也不會遭到破壞。304L不銹鋼的碳含量小于0.03%[2]，比304有更好的焊接性能和耐腐蝕性。316和316L不銹鋼增加了鉬元素，耐腐蝕性較304、304L更強。優(yōu)質(zhì)衛(wèi)生級不銹鋼管是乳品管道的上佳選擇，可有效抵抗各種離子對管材造成孔狀腐蝕，降低了微生物及其他雜質(zhì)附著的風(fēng)險。

1.2 光潔度要求

管材表面粗糙度一般用R a（是指材料表面高度偏差的平均數(shù)）表示，單位是μm，R a值越大，表面越粗糙。乳品廠管道要求使用拋光處理過的不銹鋼管材，通常要求管材內(nèi)表面Ra≤0.65μm，外表面Ra≤0.8 μm。

清洗驗證表明，在管道內(nèi)預(yù)先放置105個可檢測附著顆粒，定速清洗，內(nèi)表面Ra=2.4μm的管材經(jīng)過30 min沖洗，表面仍留存103個以上附著顆粒，達不到可接受的清洗標(biāo)準(zhǔn)；內(nèi)表面R a=0.65μm的管材經(jīng)過3～4 min沖洗可將附著顆粒降低到103個以下，達到可接受的清洗標(biāo)準(zhǔn)；而內(nèi)表面R a=0.42μm的管材經(jīng)過4 min沖洗可將附著顆粒降低到102個以下[3]，達到更高的清洗標(biāo)準(zhǔn)。

表1 各國衛(wèi)生級不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)對照

可見，管材表面粗糙度與管道系統(tǒng)清洗的質(zhì)量與時間有著密切的關(guān)系，R a越小，管道內(nèi)微生物附著能力越差，管路清洗成本也就越低。

1.3 設(shè)計流速

管道中流體的湍流狀態(tài)對抑制微生物在管道內(nèi)壁附著有比較好的效果。理想狀態(tài)下，光滑不銹鋼管道中的流體轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)的雷諾數(shù)R e為2 300。在實際應(yīng)用中，一般控制雷諾數(shù)R e在3 000～8 000范圍內(nèi)。雷諾數(shù)Re計算公式如下：

式中：d為管道直徑，m；u為物料流速m/s；ρ為物料密度，kg/m3；μ為動力黏度，Pa·s。

圖1 流體狀態(tài)示意

針對乳品廠內(nèi)輸送介質(zhì)的不同，需要控制不同的最佳流速。對于乳品、工藝水系統(tǒng)，流速過高會引起管道腐蝕，通常以不超過3m/s為宜，對于小直徑的管道，當(dāng)管內(nèi)流速為1.5 m/s時，就會產(chǎn)生較大的壓力損失，因此，乳品及工藝水系統(tǒng)一般選擇流速1.5～3 m/s為宜，能達到湍流狀態(tài)，就不宜再提高流速了。對于乳品常用的板式熱交換器建議使用較低的流速，控制在1.2～1.4 m/s為宜，以避免板面遭到腐蝕。酸乳等粘性物料可降低流速到0.5～1.0 m/s。潔凈低壓壓縮空氣的流速一般控制在8～15m/s。飽和蒸汽的流速可選擇20～30m/s。

1.4 規(guī)避死角

借鑒《美國機械工程師協(xié)會生物加工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)》2016版（ASM E BPE 2016）對于死角的定義，是指當(dāng)管路或容器使用時，能導(dǎo)致產(chǎn)品污染的區(qū)域（deadleg：an area of entrapment in a vessel or piping run that could lead tocontamination of the product.）[4]?？梢?，死角為微生物繁殖提供了機會并導(dǎo)致“生物膜”的形成，從而引起微生物等指標(biāo)超標(biāo)，造成產(chǎn)品污染。同時ASM E BPE規(guī)定“所有的物料接觸表面都應(yīng)具有能被清洗介質(zhì)清洗到的可能，并應(yīng)該達到工藝清洗流程所確定的清洗效果”。

工程上通常采用“3D”規(guī)則來量化規(guī)避死角，其具體含義可理解為“當(dāng)L/D＜3時，認(rèn)為此處沒有死角”。ASM E BPE規(guī)定：L是指“流動側(cè)主管內(nèi)壁到使用點閥門中心（或支路盲板）的距離”，D是指“非流動側(cè)支路管道的內(nèi)徑”。當(dāng)然在實際設(shè)計和施工中，L/D值越小越好，例如生物發(fā)酵行業(yè)普遍推行更為嚴(yán)格的“2D”規(guī)則。

圖2 3D規(guī)則

死角消毒和清洗驗證表明，小于“3D”死角的管道支路區(qū)域很快能達到預(yù)定的消毒溫度和要求的清洗標(biāo)準(zhǔn)。而大于“3D”的死角，即使增加流速，也很難達到可接受的清洗標(biāo)準(zhǔn)和消毒溫度。因此，死角是影響管路清洗效果的關(guān)鍵因素，避免死角的常規(guī)方法有以下幾種：

⑴在管道連接儀表和管件時，要使用短出口（符合“3D”規(guī)則）標(biāo)準(zhǔn)直角三通，并且三通向上或者水平安裝，以防止積液。

圖3 短出口直角三通的連接

在管路CIP清洗時一般選取1.5～2 m/s的經(jīng)驗流速。圖3a連接方式的支路管件（儀表或閥門）a處極易積存物料，需要增加流速和清洗時間才能保障清洗效果。但當(dāng)L/D＞6時，即使采用2.5 m/s的清洗流速、20 min的清洗時間，也不能將殘存物料顆粒降低到1‰以下[5]，達不到預(yù)設(shè)的清洗標(biāo)準(zhǔn)。由于清洗效果不佳，乳品中的礦物質(zhì)、脂類、糖類、蛋白質(zhì)極易在管路a處積存形成乳垢，產(chǎn)生衛(wèi)生隱患。

圖3b連接方式的支路管件（儀表或閥門）b處較難積存物料，當(dāng)L/D＜3時，采用2m/s的清洗流速，10～20 s即可將b處殘存物料顆粒降低到1‰以下[5]，達到可接受的清洗標(biāo)準(zhǔn)。因此，符合“3D”規(guī)則的管道連接方式在實際生產(chǎn)中既能保障清洗效果，還能大幅節(jié)約清洗劑、水、電等清洗能耗。

(2)在管道與設(shè)備連接時，主管路往往距離最終使用點較遠，難以控制支管長度。在這種情況下，可采用“U”型管路來解決問題。盡管這樣會增加管道投資，但能減小生產(chǎn)失敗的風(fēng)險。

圖4 3D規(guī)則的應(yīng)用

圖4 a是乳品進入儲罐、發(fā)酵罐等最終使用點的管路常用連接方式，閥門前段進料管道存在死角，較難清洗，為實現(xiàn)該進料管路的單獨清洗，往往需要在使用點前閥門處增加清洗回路。如改用圖4b連接方式則避免了死角，雖然增加了物料管道長度，但也相應(yīng)減少了CIP回程管路，關(guān)鍵是保障了良好的清洗效果。

(3)對于小于DN 25的物料管道，采用隔膜閥與“U”型彎卡箍連接時，會造成使用點死角超過“3D”規(guī)則。如果改用手工焊接，雖然能夠滿足“3D”規(guī)則，但焊口質(zhì)量非常不穩(wěn)定，管道內(nèi)部焊口不平整，會造成物料殘留，影響管路清洗效果。選用T型零死角閥門來連接管件或設(shè)備，能較好的解決上述問題。

圖5 T型零死角隔膜閥結(jié)構(gòu)圖

⑷在管路連接方面，首選短平對接焊接接頭，其次推薦使用衛(wèi)生卡箍連接，為降低死角，選用短焊接卡箍較為合適。管徑大于DN 100的管道也可采用法蘭連接，應(yīng)選用高頸焊接法蘭，高頸焊接法蘭焊接后其內(nèi)徑可與管子內(nèi)徑一致，不會在內(nèi)部產(chǎn)生凹槽而造成清洗困難。

以上規(guī)避死角的方法在乳品、工藝水以及清洗液管道系統(tǒng)中應(yīng)予嚴(yán)格執(zhí)行，但對于潔凈蒸汽系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)，因其管道內(nèi)部環(huán)境苛刻，不利于微生物滋生，污染風(fēng)險小，可參照執(zhí)行“3D”規(guī)則等規(guī)避死角的方法。

1.5 系統(tǒng)自排凈

管道系統(tǒng)的設(shè)計和安裝要求保持適當(dāng)?shù)倪B續(xù)坡度，以確保系統(tǒng)在清洗、維修時能夠完全排凈。管道上的組件、儀表也必須做到自排凈。

⑴管道的走向宜盡可能的直接和最短，較短的管路系統(tǒng)可設(shè)置2%的坡度，而較長的管路可以設(shè)置1%的坡度。在系統(tǒng)最低點安裝放凈閥或可拆卸卡箍等附件。

實際生產(chǎn)中，一些乳品廠的管道系統(tǒng)由于坡度混亂造成自排凈性能不佳，往往增加潔凈壓縮空氣系統(tǒng)吹掃殘余物料。然而，在實際使用中，這種方法的效果并不十分理想。當(dāng)殘余物料未能充滿管道橫截面時，大部分空氣會從液面上方排掉，起不到作用。此外，使用壓縮空氣增加了生產(chǎn)成本，也帶來壓縮機油進入管道系統(tǒng)的風(fēng)險。

⑵當(dāng)水平管路變徑時，應(yīng)采用底平型的偏心異徑管，以減少管道集氣并可使管道完全排盡，同心異徑管只能用在垂直管線上。

圖6 管道水平變徑示意

⑶隔膜閥安裝在水平管道上時，應(yīng)根據(jù)其制造參數(shù)考慮一定的排空角度，便于閥門完全排空。

圖7 隔膜閥安裝角度

⑷當(dāng)排放管路通入地漏或水槽時，需要與接收點保持一定的安全距離（H），一般H為25 mm，可防止反吸。

圖8 排放點的安全距離

2 管道的施工要點

2.1 施工流程

在乳品廠管道安裝過程中，需要重點管控“管口處理、軌道自動焊接、焊縫檢查、坡度控制、鈍化處理”等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目的是保障管道內(nèi)部光潔、平整、易清洗或消毒。具體施工管理流程見圖9。

2.2 施工準(zhǔn)備

施工現(xiàn)場清掃干凈，設(shè)置潔凈預(yù)制間用于預(yù)制件的焊接使用，確保焊接氣和保護氣純度達到99.999%以上。根據(jù)管道施工圖制定合理的安裝施工方案，選擇所需的材料，計算數(shù)量，并從倉庫領(lǐng)料。

圖9 管道施工流程圖

2.3 管口處理

根據(jù)安裝方案切割預(yù)定長度的管道，管材固定后充氣保護，使用專用割管機切管，不加潤滑劑，端面使用管道銑平機去除毛刺。檢驗管口是否平直、正圓、干凈，符合要求后進行封堵處理。

2.4 自動焊接

管道系統(tǒng)（管徑DN 15～DN 100）推薦使用軌道自動焊，以確保焊縫質(zhì)量穩(wěn)定一致。預(yù)制件需要在潔凈預(yù)制間內(nèi)焊接完成，首先調(diào)整焊機參數(shù)進行試焊，試焊合格后，記錄參數(shù)并保留焊樣。正式焊接時，先通高純氬氣，點焊連接，然后軌道自動焊，實時記錄焊縫表。焊接時要確保管口表面干燥，管材內(nèi)部保護氣達到相應(yīng)濃度，焊接參數(shù)要及時根據(jù)試焊參數(shù)調(diào)整。薄壁不銹鋼管可以不開坡口，通過母材自熔，實現(xiàn)無間隙組對焊接。預(yù)制管件焊接完成后進行管道系統(tǒng)現(xiàn)場安裝，打好支撐，注意調(diào)整好坡度，現(xiàn)場軌道自動焊，并做好文件記錄。

2.5 焊縫檢驗

管道焊接過程中，每道焊縫都需仔細檢查。外焊縫采用目視檢查，內(nèi)焊縫采用內(nèi)窺鏡檢查。具體要求為：焊口內(nèi)外側(cè)平直、光潔，無劃傷、裂紋、燒穿、咬邊、未焊透、氣孔、夾渣等現(xiàn)象；內(nèi)外表面無斑漬、氧化，焊縫顏色控制在3級以內(nèi)；最大允許的錯邊量是管壁厚的10%；焊縫表面內(nèi)外突出或凹陷的高度不超過管壁厚度的5%；焊縫表面寬度為管壁厚度的2～3倍。

特別是常溫奶的無菌管線和無菌灌裝機區(qū)域，應(yīng)嚴(yán)格要求配置使用管道內(nèi)窺鏡檢查，除了檢查焊接狀況外，還應(yīng)包括后續(xù)管道內(nèi)部清洗效果的內(nèi)窺鏡檢查。

圖10 焊縫質(zhì)量控制示意圖

2.6 鈍化處理

管道系統(tǒng)在壓力試驗合格后要進行鈍化處理。鈍化有助于恢復(fù)不銹鋼管道在焊接過程中因高溫、金屬熔化而破壞了的鈍化膜，有效去除污物和游離鐵離子，提高鈍化膜中鉻元素比例，增強管道抗腐蝕性。以流體循環(huán)鈍化法為例，主要包括預(yù)沖洗→清洗→鈍化→最終沖洗等幾個環(huán)節(jié)，具體參數(shù)詳見表2。管道系統(tǒng)鈍化檢測合格后,再經(jīng)過清潔殺菌,即可交付驗收或使用。

3 小結(jié)

乳品廠管道系統(tǒng)在材料選擇、連接方式、密封要求、清洗消毒、施工管理以及驗收標(biāo)準(zhǔn)等方面有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求。借鑒和遵循成熟的ASM E BPE標(biāo)準(zhǔn)能夠保障設(shè)計、采購、施工等各階段的行為符合GM P要求，從而確保工程項目順利通過各國政府機構(gòu)（如CFDA、FDA）的監(jiān)管和認(rèn)證。

表2 流體循環(huán)鈍化程序表