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Los sistemas farmacéuticos de vapor puro incluyen generadores, válvulas de control, tuberías o conductos de distribución, trampas termodinámicas o de equilibrio, manómetros, reductores de presión, válvulas de seguridad y acumuladores volumétricos.
La mayoría de estas piezas están fabricadas en acero inoxidable 316 L y contienen juntas de fluoropolímero (normalmente politetrafluoroetileno, también conocido como teflón o PTFE), así como materiales semimetálicos u otros materiales elastoméricos.
Estos componentes son susceptibles a la corrosión o degradación durante su uso, lo que afecta la calidad del sistema de vapor limpio (CS) finalizado. El proyecto que se detalla en este artículo evaluó muestras de acero inoxidable de cuatro estudios de caso de sistemas CS, analizó el riesgo de posibles impactos de corrosión en los procesos y los sistemas de ingeniería críticos, y realizó pruebas para detectar partículas y metales en el condensado.
Se colocan muestras de tuberías corroídas y componentes del sistema de distribución para investigar los subproductos de la corrosión. 9 Para cada caso específico, se evaluaron diferentes condiciones de la superficie. Por ejemplo, se evaluaron el enrojecimiento estándar y los efectos de la corrosión.
Se evaluó la presencia de depósitos de coloración en las superficies de las muestras de referencia mediante inspección visual, espectroscopia de electrones Auger (AES), espectroscopia electrónica para análisis químico (ESCA), microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS).
Estos métodos pueden revelar las propiedades físicas y atómicas de la corrosión y los depósitos, así como determinar los factores clave que afectan las propiedades de los fluidos técnicos o los productos finales.
Los productos de corrosión del acero inoxidable pueden adoptar muchas formas, como una capa carmín de óxido de hierro (marrón o rojo) en la superficie debajo o encima de la capa de óxido de hierro (negro o gris)2. Capacidad de migrar aguas abajo.
La capa de óxido de hierro (coloración negra) puede engrosarse con el tiempo a medida que los depósitos se vuelven más pronunciados, como lo demuestran las partículas o depósitos visibles en las superficies de la cámara de esterilización y los equipos o contenedores después de la esterilización con vapor; hay migración. El análisis de laboratorio de muestras de condensado mostró la naturaleza dispersa del lodo y la cantidad de metales solubles en el fluido CS.
Aunque existen muchas razones para este fenómeno, el generador de CS suele ser el principal responsable. No es raro encontrar óxido de hierro rojo (marrón/rojo) en las superficies y óxido de hierro (negro/gris) en las rejillas de ventilación que migran lentamente a través del sistema de distribución de CS. 6
El sistema de distribución CS tiene una configuración ramificada con múltiples puntos de uso que terminan en áreas remotas o al final del colector principal y varios colectores secundarios. El sistema puede incluir varios reguladores para ayudar a iniciar la reducción de presión/temperatura en puntos de uso específicos que podrían ser puntos de corrosión.
La corrosión también puede producirse en las trampas de diseño higiénico que se colocan en varios puntos del sistema para eliminar el condensado y el aire del vapor limpio que fluye a través de la trampa, la tubería de descarga o el colector de condensado.
En la mayoría de los casos, es probable que se produzca una migración inversa, donde los depósitos de óxido se acumulan en la trampa y crecen aguas arriba hacia las tuberías adyacentes o los colectores de punto de uso, e incluso más allá; el óxido que se forma en las trampas u otros componentes se puede observar aguas arriba de la fuente, con una migración constante aguas abajo y aguas arriba.
Algunos componentes de acero inoxidable también presentan diversos niveles de estructuras metalúrgicas, de moderados a altos, incluyendo ferrita delta. Se cree que los cristales de ferrita reducen la resistencia a la corrosión, aunque su presencia puede ser de tan solo un 1-5%.
La ferrita tampoco es tan resistente a la corrosión como la estructura cristalina austenítica, por lo que se corroe preferentemente. Las ferritas se pueden detectar con precisión mediante una sonda de ferrita y con cierta precisión mediante un imán, pero existen limitaciones importantes.
Desde la configuración del sistema, pasando por la puesta en marcha inicial y el arranque de un nuevo generador CS y las tuberías de distribución, existen varios factores que contribuyen a la corrosión:
Con el tiempo, elementos corrosivos como estos pueden producir productos de corrosión al entrar en contacto, combinarse y superponerse con mezclas de hierro y hierro. El hollín negro suele aparecer primero en el generador, luego en la tubería de descarga del generador y, finalmente, en todo el sistema de distribución de CS.
Se realizó un análisis SEM para revelar la microestructura de los subproductos de corrosión que cubren toda la superficie con cristales y otras partículas. El fondo o superficie subyacente sobre la que se encuentran las partículas varía desde diferentes grados de hierro (Fig. 1-3) hasta muestras comunes, como depósitos homogéneos de sílice/hierro, arenosos y vítreos (Fig. 4). También se analizaron los fuelles de la trampa de vapor (Fig. 5-6).
El análisis electroquímico por emisión atómica (AES) es un método analítico que se utiliza para determinar la composición química superficial del acero inoxidable y diagnosticar su resistencia a la corrosión. También permite observar el deterioro de la capa pasiva y la disminución de la concentración de cromo en dicha capa a medida que la superficie se deteriora debido a la corrosión.
Para caracterizar la composición elemental de la superficie de cada muestra, se utilizaron análisis AES (perfiles de concentración de elementos superficiales en función de la profundidad).
Cada sitio utilizado para el análisis y la ampliación mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) se seleccionó cuidadosamente para proporcionar información de regiones típicas. Cada estudio aportó información desde las primeras capas moleculares (estimadas en 10 angstroms [Å] por capa) hasta la profundidad de la aleación metálica (200–1000 Å).
Se han registrado cantidades significativas de hierro (Fe), cromo (Cr), níquel (Ni), oxígeno (O) y carbono (C) en todas las regiones de Rouge. Los datos y resultados del AES se describen en la sección de estudio de caso.
Los resultados generales de AES para las condiciones iniciales muestran que se produce una fuerte oxidación en muestras con concentraciones inusualmente altas de Fe y O (óxidos de hierro) y bajo contenido de Cr en la superficie. Este depósito rojizo libera partículas que pueden contaminar el producto y las superficies en contacto con él.
Tras eliminar la capa superficial, las muestras "pasivadas" mostraron una recuperación completa de la película pasiva, con niveles de concentración de Cr más altos que los de Fe, con una relación superficial Cr:Fe que oscilaba entre 1,0 y 2,0 y una ausencia total de óxido de hierro.
Se analizaron varias superficies rugosas utilizando XPS/ESCA para comparar las concentraciones elementales y los estados de oxidación espectrales de Fe, Cr, azufre (S), calcio (Ca), sodio (Na), fósforo (P), nitrógeno (N) y O y C (tabla A).
Existe una clara diferencia en el contenido de Cr, desde valores cercanos a la capa de pasivación hasta valores más bajos, típicos de las aleaciones base. Los niveles de hierro y cromo encontrados en la superficie representan distintos espesores y grados de depósitos de óxido. Los análisis XPS han mostrado un aumento de Na, C o Ca en superficies rugosas en comparación con superficies limpias y pasivadas.
Las pruebas XPS también mostraron altos niveles de C en el hierro rojo (negro) y Fe(x)O(y) (óxido de hierro) en el rojo. Los datos XPS no son útiles para comprender los cambios superficiales durante la corrosión, ya que evalúan tanto el metal rojo como el metal base. Se requieren pruebas XPS adicionales con muestras más grandes para evaluar correctamente los resultados.
Autores anteriores también tuvieron dificultades para evaluar los datos de XPS.¹⁰ Las observaciones de campo durante el proceso de eliminación han demostrado que el contenido de carbono es alto y generalmente se elimina por filtración durante el procesamiento. Las micrografías SEM tomadas antes y después del tratamiento de eliminación de arrugas ilustran el daño superficial causado por estos depósitos, incluyendo picaduras y porosidad, que afectan directamente la corrosión.
Los resultados de XPS tras la pasivación mostraron que la relación de contenido Cr:Fe en la superficie era mucho mayor cuando se reformaba la película de pasivación, reduciendo así la tasa de corrosión y otros efectos adversos en la superficie.
Las muestras de cupón mostraron un incremento significativo en la relación Cr:Fe entre la superficie "tal cual" y la superficie pasivada. Las relaciones Cr:Fe iniciales se analizaron en el rango de 0,6 a 1,0, mientras que las relaciones de pasivación posteriores al tratamiento variaron de 1,0 a 2,5. Los valores para los aceros inoxidables electropulidos y pasivados se encuentran entre 1,5 y 2,5.
En las muestras sometidas a postprocesamiento, la profundidad máxima de la relación Cr:Fe (establecida mediante AES) osciló entre 3 y 16 Å. Estos resultados concuerdan con los datos de estudios previos publicados por Coleman² y Roll.⁹ Las superficies de todas las muestras presentaban niveles estándar de Fe, Ni, O, Cr y C. También se encontraron bajos niveles de P, Cl, S, N, Ca y Na en la mayoría de las muestras.
Estos residuos son típicos de limpiadores químicos, agua purificada o electropulido. Tras un análisis más detallado, se detectó contaminación por silicio en la superficie y en diferentes niveles del propio cristal de austenita. La fuente parece ser el contenido de sílice del agua/vapor, los pulidos mecánicos o el vidrio de inspección disuelto o grabado en la celda de generación de CS.
Se ha observado que los productos de corrosión presentes en los sistemas de almacenamiento de agua varían considerablemente. Esto se debe a las diferentes condiciones de estos sistemas y a la ubicación de diversos componentes, como válvulas, trampas y otros accesorios, que pueden generar condiciones corrosivas y productos de corrosión.
Además, con frecuencia se introducen en el sistema componentes de repuesto que no están debidamente pasivados. Los productos de corrosión también se ven significativamente afectados por el diseño del generador CS y la calidad del agua. Algunos tipos de grupos electrógenos son rehervidores, mientras que otros son evaporadores tubulares. Los generadores CS suelen utilizar rejillas de extremo para eliminar la humedad del vapor limpio, mientras que otros generadores utilizan deflectores o ciclones.
Algunos producen una pátina de hierro casi sólida en la tubería de distribución y el hierro rojo que la recubre. El bloque deflector forma una película de hierro negro con un tono rojizo de óxido de hierro debajo y crea un segundo fenómeno en la superficie en forma de un tono hollín que es más fácil de limpiar.
Por lo general, este depósito de aspecto ferruginoso, similar al hollín, es mucho más pronunciado que el de color rojo hierro y, además, es más móvil. Debido al mayor grado de oxidación del hierro en el condensado, el lodo generado en el canal de condensado en la parte inferior de la tubería de distribución presenta una capa de óxido de hierro sobre la capa de hierro.
La capa de óxido de hierro atraviesa el colector de condensado, se hace visible en el desagüe y la capa superior se desprende fácilmente de la superficie. La calidad del agua influye significativamente en la composición química de esta capa.
Un mayor contenido de hidrocarburos produce demasiado hollín en el lápiz labial, mientras que un mayor contenido de sílice da como resultado una capa de lápiz labial lisa o brillante. Como se mencionó anteriormente, los visores de nivel de agua también son propensos a la corrosión, lo que permite que los residuos y la sílice entren en el sistema.
La pistola de vapor es motivo de preocupación en los sistemas de vapor, ya que puede formar capas gruesas que generan partículas. Estas partículas se encuentran en las superficies de vapor o en los equipos de esterilización por vapor. Las siguientes secciones describen los posibles efectos de los medicamentos.
Las imágenes SEM de las muestras sin tratar (Figuras 7 y 8) muestran la naturaleza microcristalina del carmín de clase 2 en el caso 1. En la superficie se formó una matriz particularmente densa de cristales de óxido de hierro en forma de residuo de grano fino. Las superficies descontaminadas y pasivadas mostraron daños por corrosión, lo que resultó en una textura superficial rugosa y ligeramente porosa, como se observa en las Figuras 9 y 10.
La imagen NPP de la figura 11 muestra el estado inicial de la superficie original con óxido de hierro pesado sobre ella. La superficie pasivada y desoxidada (Figura 12) indica que la película pasiva ahora tiene un contenido elevado de Cr (línea roja) por encima del Fe (línea negra) con una relación Cr:Fe > 1,0. La superficie pasivada y desoxidada (Figura 12) indica que la película pasiva ahora tiene un contenido elevado de Cr (línea roja) por encima del Fe (línea negra) con una relación Cr:Fe > 1,0. Пассивированная обесточенная поверхность (рис. 12) указывает на то, что пассивная пленка теперь имеет повышенное содержание Cr (красная линия) по сравнению с Fe (черная линия) при соотношении Cr:Fe > 1,0. La superficie pasivada y desenergizada (Fig. 12) indica que la película pasiva ahora tiene un mayor contenido de Cr (línea roja) en comparación con Fe (línea negra) en una relación Cr:Fe > 1,0.1.0. Cr（红线）含量高于Fe（黑线），Cr:Fe 比率> 1.0。 Пассивированная and морщинистая поверхность (рис. 12) показывает, что пассивированная пленка теперь имеет более высокое содержание cr (красная линия), чем Fe (черная линия), при соотношении Cr:Fe > 1,0. La superficie pasivada y arrugada (Fig. 12) muestra que la película pasivada ahora tiene un contenido de Cr (línea roja) mayor que el de Fe (línea negra) con una relación Cr:Fe > 1,0.
Una película de óxido de cromo pasivante más delgada (< 80 Å) ofrece mayor protección que una película de óxido de hierro cristalino de cientos de angstroms de espesor, proveniente de una capa de metal base y cascarilla con un contenido de hierro superior al 65%.
La composición química de la superficie pasivada y arrugada es ahora comparable a la de los materiales pulidos pasivados. El sedimento del caso 1 es un sedimento de clase 2 que puede formarse in situ; a medida que se acumula, se forman partículas más grandes que migran con el vapor.
En este caso, la corrosión observada no provocará defectos graves ni deterioro de la calidad de la superficie. El arrugamiento normal reducirá el efecto corrosivo sobre la superficie y eliminará la posibilidad de una migración significativa de partículas que podrían hacerse visibles.
En la Figura 11, los resultados de AES muestran que las capas gruesas cerca de la superficie tienen niveles más altos de Fe y O (500 Å de óxido de hierro; líneas verde limón y azul, respectivamente), que pasan a niveles dopados de Fe, Ni, Cr y O. La concentración de Fe (línea azul) es mucho mayor que la de cualquier otro metal, aumentando del 35% en la superficie a más del 65% en la aleación.
En la superficie, el nivel de O (línea verde claro) pasa de casi el 50% en la aleación a casi cero con un espesor de película de óxido superior a 700 Å. Los niveles de Ni (línea verde oscuro) y Cr (línea roja) son extremadamente bajos en la superficie (< 4%) y aumentan hasta alcanzar niveles normales (11% y 17%, respectivamente) en la profundidad de la aleación. Los niveles de Ni (línea verde oscuro) y Cr (línea roja) son extremadamente bajos en la superficie (< 4%) y aumentan hasta alcanzar niveles normales (11% y 17%, respectivamente) en la profundidad de la aleación. Уровни Ni (темно-зеленая линия) и Cr (красная линия) чрезвычайно низки на поверхности (<4%) и увеличиваются до нормального уровня (11% и 17% соответственно) в глубине сплава. Los niveles de Ni (línea verde oscuro) y Cr (línea roja) son extremadamente bajos en la superficie (<4%) y aumentan hasta alcanzar niveles normales (11% y 17% respectivamente) en las capas más profundas de la aleación.表面的Ni（深绿线）和Cr（红线）水平极低（< 4%), entre 11% y 17%.表面的Ni（深绿线）和Cr（红线）水平极低（< 4%），而在合金深度处增加到歌常水平（分别咺11% Уровни Ni (темно-зеленая линия) и Cr (красная линия) на поверхности чрезвычайно низки (<4%) и увеличиваются до нормального уровня в глубине сплава (11% y 17% соответственно). Los niveles de Ni (línea verde oscuro) y Cr (línea roja) en la superficie son extremadamente bajos (<4%) y aumentan hasta alcanzar niveles normales en las capas más profundas de la aleación (11% y 17% respectivamente).
La imagen AES de la figura 12 muestra que la capa de óxido de hierro se ha eliminado y la película de pasivación se ha restaurado. En la capa primaria de 15 Å, el nivel de Cr (línea roja) es superior al de Fe (línea negra), lo que indica una película pasiva. Inicialmente, el contenido de Ni en la superficie era del 9%, aumentando entre 60 y 70 Å por encima del nivel de Cr (± 16%), y luego hasta alcanzar el nivel de aleación de 200 Å.
Partiendo de un 2%, el nivel de carbono (línea azul) desciende a cero a 30 Å. El nivel de Fe es inicialmente bajo (< 15%) y posteriormente igual al nivel de Cr a 15 Å y continúa aumentando hasta alcanzar el nivel de aleación en más del 65% a 150 Å. El nivel de Fe es inicialmente bajo (< 15%) y posteriormente igual al nivel de Cr a 15 Å y continúa aumentando hasta alcanzar el nivel de aleación en más del 65% a 150 Å. Уровень Fe вначале низкий (< 15%), позже равен уровню Cr при 15 Å и продолжает увеличиваться до уровня сплава более 65% при 150 A. El nivel de Fe es inicialmente bajo (< 15%), luego iguala el nivel de Cr a 15 Å y continúa aumentando hasta superar el 65% del nivel de aleación a 150 Å. Fe 含量最初很低(< 15%)，后来在15 Å 时等于Cr 含量，并在150 Å 时继续增加到超过65%的合金含量. Fe 含量最初很低(< 15%)，后来在15 Å 时等于Cr 含量，并在150 Å 时继续增加到超过65%的合金含量. Содержание Fe изначально низкое (< 15 %), позже оно равняется содержанию Cr при 15 Å и продолжает увеличиваться до содержания сплава более 65 % a 150 Å. El contenido de Fe es inicialmente bajo (< 15%), luego se iguala al contenido de Cr a 15 Å y continúa aumentando hasta que el contenido de aleación supera el 65% a 150 Å.Los niveles de Cr aumentan hasta el 25% de la superficie a 30 Å y disminuyen hasta el 17% en la aleación.
El elevado nivel de O cerca de la superficie (línea verde claro) disminuye a cero tras una profundidad de 120 Å. Este análisis demostró una película de pasivación superficial bien desarrollada. Las micrografías SEM de las figuras 13 y 14 muestran la naturaleza cristalina rugosa, porosa y áspera de las capas superficiales de óxido de hierro 1 y 2. La superficie arrugada evidencia el efecto de la corrosión sobre una superficie rugosa parcialmente picada (Figuras 18-19).
Las superficies pasivadas y arrugadas que se muestran en las figuras 13 y 14 no resisten una oxidación severa. Las figuras 15 y 16 muestran una película de pasivación restaurada sobre una superficie metálica.