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Los sistemas farmacéuticos de vapor puro o puro incluyen generadores, válvulas de control, tuberías o conductos de distribución, trampas termostáticas termodinámicas o de equilibrio, manómetros, reductores de presión, válvulas de seguridad y acumuladores volumétricos.
La mayoría de estas piezas están hechas de acero inoxidable 316 L y contienen juntas de fluoropolímero (normalmente politetrafluoroetileno, también conocido como teflón o PTFE), así como materiales semimetálicos u otros elastoméricos.
Estos componentes son susceptibles a la corrosión o degradación durante el uso, lo que afecta la calidad del sistema de vapor limpio (CS) terminado. El proyecto que se detalla en este artículo evaluó muestras de acero inoxidable de cuatro estudios de caso de sistemas de CS, evaluó el riesgo de posibles impactos de la corrosión en el proceso y los sistemas de ingeniería críticos, y realizó pruebas para detectar partículas y metales en el condensado.
Se colocan muestras de tuberías y componentes del sistema de distribución corroídos para investigar los subproductos de la corrosión. 9 Para cada caso específico, se evaluaron diferentes condiciones superficiales. Por ejemplo, se evaluaron los efectos de la corrosión y el rubor estándar.
Se evaluaron las superficies de las muestras de referencia para detectar la presencia de depósitos de rubor mediante inspección visual, espectroscopia electrónica Auger (AES), espectroscopia electrónica para análisis químico (ESCA), microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopia fotoelectrónica 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 productos finales.
Los productos de corrosión del acero inoxidable pueden presentarse en diversas formas, como una capa de óxido de hierro color carmín (marrón o rojo) en la superficie, por debajo o por encima de la capa de óxido de hierro (negro o gris)2. Capacidad de migrar aguas abajo.
La capa de óxido de hierro (rubor negro) puede engrosarse con el tiempo a medida que los depósitos se hacen más pronunciados, como lo evidencian las partículas o depósitos visibles en las superficies de la cámara de esterilización, el equipo o los contenedores después de la esterilización por vapor. Existe migración. El análisis de laboratorio de muestras de condensado mostró la naturaleza dispersa del lodo y la cantidad de metales solubles en el fluido de CS.
Aunque existen muchas razones para este fenómeno, el generador de CS suele ser el principal contribuyente. No es raro encontrar óxido de hierro rojo (marrón/rojo) en superficies y óxido de hierro (negro/gris) en respiraderos que migran lentamente a través del sistema de distribución de CS. 6
El sistema de distribución de CS es una configuración ramificada con múltiples puntos de uso que terminan en áreas remotas o al final del colector principal y varios subcolectores de derivación. El sistema puede incluir varios reguladores para iniciar la reducción de presión/temperatura en puntos de uso específicos que podrían ser focos de corrosión.
La corrosión también puede ocurrir en 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, las tuberías de descarga/tuberías posteriores o el colector de condensado.
En la mayoría de los casos, es probable que haya una migración inversa cuando los depósitos de óxido se acumulan en la trampa y crecen río arriba, dentro y más allá de las tuberías adyacentes o los colectores de puntos de uso; el óxido que se forma en las trampas u otros componentes se puede ver río arriba de la fuente con una migración constante río abajo y río arriba.
Algunos componentes de acero inoxidable también presentan diversos niveles de estructuras metalúrgicas, de moderados a altos, como la ferrita delta. Se cree que los cristales de ferrita reducen la resistencia a la corrosión, aunque su presencia puede ser tan baja como del 1 al 5 %.
La ferrita tampoco es tan resistente a la corrosión como la estructura cristalina austenítica, por lo que se corroe preferentemente. Las ferritas pueden detectarse con precisión con una sonda de ferrita y con precisión parcial con un imán, pero presentan limitaciones significativas.
Desde la configuración del sistema, pasando por la puesta en servicio inicial y el arranque de un nuevo generador de CS y tuberías de distribución, hay una serie de factores que contribuyen a la corrosión:
Con el tiempo, elementos corrosivos como estos pueden producir productos de corrosión al encontrarse, combinarse y superponerse con mezclas de hierro y hierro. El hollín negro suele observarse 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. La superficie subyacente sobre la que se encuentran las partículas varía desde diversos grados de hierro (Fig. 1-3) hasta muestras comunes, como depósitos de sílice/hierro, arenosos, vítreos y homogéneos (Fig. 4). También se analizaron los fuelles de la trampa de vapor (Fig. 5-6).
La prueba 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 muestra el deterioro de la película pasiva y la disminución de la concentración de cromo en ella a medida que la superficie se deteriora por la corrosión.
Para caracterizar la composición elemental de la superficie de cada muestra, se utilizaron escaneos AES (perfiles de concentración de elementos de la superficie sobre la profundidad).
Cada sitio utilizado para el análisis y aumento mediante SEM se ha seleccionado cuidadosamente para obtener información de regiones típicas. Cada estudio proporcionó 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 del estudio de caso.
Los resultados generales de AES para las condiciones iniciales muestran una fuerte oxidación en muestras con concentraciones inusualmente altas de Fe y O (óxidos de hierro) y un bajo contenido de Cr en la superficie. Este depósito rojizo provoca la liberación de partículas que pueden contaminar el producto y las superficies en contacto con él.
Luego de eliminado el rubor, las muestras “pasivadas” mostraron una recuperación completa de la película pasiva, alcanzando Cr niveles de concentración más altos que Fe, con una relación superficial Cr:Fe que va de 1,0 a 2,0 y una ausencia general de óxido de hierro.
Se analizaron varias superficies rugosas utilizando XPS/ESCA para comparar las concentraciones elementales y los estados de oxidación espectral 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 entre los valores cercanos a la capa de pasivación y los valores inferiores que suelen encontrarse en las aleaciones base. Los niveles de hierro y cromo presentes en la superficie representan diferentes espesores y grados de depósitos rugosos. Las pruebas de XPS han mostrado un aumento de Na, C o Ca en superficies rugosas en comparación con las superficies limpiadas y pasivadas.
Las pruebas XPS también mostraron altos niveles de C en el rojo de hierro (negro), así como de 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 suele eliminarse mediante 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 a la corrosión.
Los resultados de XPS después de la pasivación mostraron que la relación de contenido de 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 aumento significativo en la relación Cr:Fe entre la superficie "tal cual" y la superficie pasivada. Las relaciones iniciales de Cr:Fe se analizaron en un rango de 0,6 a 1,0, mientras que las relaciones de pasivación postratamiento oscilaron entre 1,0 y 2,5. Los valores para aceros inoxidables electropulidos y pasivados se encuentran entre 1,5 y 2,5.
En las muestras sometidas a posprocesamiento, la profundidad máxima de la relación Cr:Fe (establecida mediante AES) osciló entre 3 y 16 Å. Estos resultados se comparan favorablemente con los datos de estudios previos publicados por Coleman2 y Roll9. Las superficies de todas las muestras presentaron niveles estándar de Fe, Ni, O, Cr y C. También se encontraron niveles bajos 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 encontró 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 pulimentos mecánicos o la disolubilidad o el grabado de la mirilla en la celda de generación de CS.
Se ha reportado una gran variación en los productos de corrosión presentes en los sistemas de CS. Esto se debe a las condiciones variables de estos sistemas y a la ubicación de diversos componentes, como válvulas, purgadores y otros accesorios, que pueden generar condiciones corrosivas y productos de corrosión.
Además, a menudo se introducen en el sistema componentes de repuesto que no están adecuadamente pasivados. Los productos de corrosión también se ven significativamente afectados por el diseño del generador de vapor de agua y la calidad del agua. Algunos tipos de generadores son rehervidores, mientras que otros son desatascadores tubulares. Los generadores de vapor de agua suelen utilizar rejillas finales para eliminar la humedad del vapor limpio, mientras que otros 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 una capa de óxido de hierro debajo y crea una segunda capa superficial en forma de una capa de hollín que es más fácil de limpiar.
Por lo general, este depósito de aspecto hollín ferruginoso es mucho más pronunciado que el de color rojo hierro y presenta mayor movilidad. Debido al mayor estado 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 lodos de óxido de hierro sobre los lodos de hierro.
El óxido de hierro se desprende a través del 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 del óxido de hierro.
Un mayor contenido de hidrocarburos produce un exceso de hollín en el lápiz labial, mientras que un mayor contenido de sílice produce un mayor contenido de sílice, lo que resulta en una capa lisa o brillante. Como se mencionó anteriormente, los indicadores de nivel de agua también son propensos a la corrosión, lo que permite la entrada de residuos y sílice al sistema.
La pistola es motivo de preocupación en los sistemas de vapor, ya que pueden formarse capas gruesas que forman partículas. Estas partículas están presentes en las superficies de vapor o en los equipos de esterilización por vapor. Las siguientes secciones describen los posibles efectos de los medicamentos.
Las microscopías de barrido electrónicas (MEB) en estado actual de las Figuras 7 y 8 muestran la naturaleza microcristalina del carmín de clase 2 en el caso 1. Se formó una matriz particularmente densa de cristales de óxido de hierro en la superficie, formando un 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 muestra en las Figuras 9 y 10.
El escaneo NPP en 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) en 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) en 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 mayor contenido de Cr (línea roja) que de Fe (línea negra) en una relación Cr:Fe > 1,0.
Una película de óxido de cromo pasivante más delgada (< 80 Å) es más protectora que una película de óxido de hierro cristalino de cientos de angstroms de espesor hecha de un metal base y una capa de cascarilla con un contenido de hierro de más del 65 %.
La composición química de la superficie pasivada y rugosa es ahora comparable a la de los materiales pulidos y pasivados. El sedimento del caso 1 es de clase 2, capaz de 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 en la superficie y eliminará la posibilidad de una migración fuerte 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), en transición a niveles dopados de Fe, Ni, Cr y O. La concentración de Fe (línea azul) es mucho más alta 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 clara) va desde casi el 50% en la aleación a casi cero con un espesor de película de óxido de más de 700 Å. Los niveles de Ni (línea verde oscuro) y Cr (línea roja) son extremadamente bajos en la superficie (< 4%) y aumentan a 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 a 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 a niveles normales (11% y 17% respectivamente) en la profundidad 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 niveles normales en la profundidad de la aleación (11% y 17% respectivamente).
La imagen AES de la fig. 12 muestra que se ha eliminado la capa de óxido de hierro y se ha restaurado la película de pasivación. En la capa primaria de 15 Å, el nivel de Cr (línea roja) es superior al de Fe (línea negra), que constituye 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 posteriormente hasta alcanzar el nivel de aleación de 200 Å.
A partir del 2%, el nivel de carbono (línea azul) desciende a cero a 30 Å. El nivel de Fe es inicialmente bajo (< 15%) y luego igual al nivel de Cr a 15 Å y continúa aumentando hasta el nivel de aleación en más del 65% a 150 Å. El nivel de Fe es inicialmente bajo (< 15%) y luego igual al nivel de Cr a 15 Å y continúa aumentando hasta 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 % por 150 Å. El contenido de Fe es inicialmente bajo (< 15%), luego 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 al 25% de la superficie a 30 Å y disminuyen al 17% en la aleación.
El nivel elevado de O cerca de la superficie (línea verde claro) disminuye a cero después de una profundidad de 120 Å. Este análisis demostró una película de pasivación superficial bien desarrollada. Las fotografías de SEM en las figuras 13 y 14 muestran la naturaleza cristalina, rugosa y porosa, de las capas superficiales de óxido de hierro 1.ª y 2.ª. La superficie rugosa muestra el efecto de la corrosión en una superficie rugosa parcialmente picada (Figuras 18-19).
Las superficies pasivadas y arrugadas que se muestran en las figuras 13 y 14 no resisten la oxidación severa. Las figuras 15 y 16 muestran una película de pasivación restaurada sobre una superficie metálica.